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Optimized solar cooling facility configurations for the Mediterranean warm climate

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2008-12
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2008-12-05
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Este trabajo de tesis doctoral presenta la caracterización experimental de la instalación de frío solar instalada en la Universidad Carlos III de Madrid, en Leganés (Madrid). De la revisión bibliográfica encontramos que la configuración más utilizada para la construcción de este tipo de instalaciones es la que incluye un tanque de agua caliente (HTES), el cual almacena y suministra de energía el generador de la máquina de absorción. Para evaluar si esta configuración es la más adecuada para producción de frío, se ha llevado a cabo una simulación numérica en el entorno del programa TRNSYS. Esta simulación ha permitido la posibilidad de predecir las diferentes actuaciones que algunas configuraciones ejercerían sobre una instalación de frío solar. Como primer paso, la simulación ha sido validada utilizando la instalación experimental instalada en la Universidad Carlos III como punto de referencia con datos experimentales de la temporada de verano de 2005, presentando muy buenos resultados. Esta instalación experimental esta configurada para trabajar con 50m2 de colectores solares y un tanque de agua caliente de 2000 litros. Una vez validada la simulación, ésta ha sido modificada para trabajar con diferentes configuraciones de tanque de almacenamiento correspondiendo a una instalación sin tanque (NTES), con tanque de almacenamiento de frío (CTES) y con la combinación de ambos tanques (HCTES). Se ha llevado a cabo un estudio paramétrico para cada una de las configuraciones y sus resultados comparados. La configuración que produce los valores más altos de energía frigorífica producida para una instalación de 50m2 de colector ha sido la HTES. Esto se consigue para valores pequeños de almacenamiento, por debajo de 1000 litros. Un volumen óptimo de almacenamiento con tanque caliente ha sido propuesto para la instalación experimental de 100 litros. Esta configuración presenta los valores más altos para el COP y SCOP de la instalación. También se ha encontrado que la configuración NTES produciría mejores resultados en comparación con volúmenes de tanque caliente más altos para superficies de colectores solares por debajo de 65m2. Pero cuando la energía frigorífica producida por esta configuración (100 litros de HTES) es comparada con la carga térmica de una vivienda típica española, encontramos que su valor sobrepasa a la demanda instantánea de frío y por eso descartándose como configuración optima para la aplicación domestica de este tipo de instalaciones. Para este propósito las configuraciones con tanque frío (CTES y HCTES) presentan una mejor adaptación en forma y tiempo a la demanda de frío, alcanzando valores de COP y SCOP altos, aunque no tan altos como los conseguidos con la configuración de tanque caliente de 100 litros. Los resultados de la simulación para las configuraciones de CTES y HCTES presentan valores muy similares para la energía frigorífica producida, COP y SCOP. La configuración HCTES presenta valores mayores para el COP, los cuales no son significativos. La configuración CTES fue seleccionada frente a la de HCTES porque presenta una configuración más simple. El valor óptimo para el volumen de almacenamiento de frío para la aplicación doméstica fue de 3000 litros porque ofrece una mejor adaptación a la demanda de frío. Estos resultados se encontraron para una instalación con 50m2 de colectores solares. A pesar de las mejoras que presenta la configuración con tanque frío, una cantidad considerable de energía frigorífica continuaba sobrepasando la demanda de frío instantánea. Un estudio paramétrico en el cual se variaban la superficie colectora y el flujo másico de agua fría que se suministraba a la carga térmica se llevo a cabo y se encontró una configuración óptima que corresponde a 40m2 de superficie colectora y 3000 litros de CTES. El próximo paso fue modificar la instalación experimental basándonos en los resultados de la simulación. El tanque caliente de 2000 litros fue aislado mediante un “bypass” y los 50m2 de colectores solares planos originalmente instalados fueron sustituidos con 43m2 de colectores planos de vacío, siendo casi la superficie óptima encontrada. Debido a limitaciones de espacio en el laboratorio el tanque frío de 3000 litros no pudo ser instalado y en su lugar se instaló un tanque frío de 1000 litros. El gasto másico de agua fría suministrada a la carga térmica también se modificó con el valor encontrado en la simulación. La instalación trabajo experimentalmente con la configuración CTES durante la temporada de verano de 2008. Aún más, la instalación solar fue modificada para que pudiera trabajar en modo NTES. Se encontró que ambas configuraciones presentaron mejores resultados comparadas con los resultados de 2000 litros HTES, como fue predicho por la simulación. La fracción de la demanda de frío que fue suministrada por la instalación solar trabajando en modo CTES alcanzo el 43.7%._______________________________________________________
This Ph.D. thesis presents the experimental characterization of a solar cooling facility installed at Universidad Carlos III de Madrid, Leganés (Madrid). From a literature review, the most common configuration of solar cooling facilities been constructed nowadays is the one including a heat thermal energy storage (HTES), in order to store hot water for its later use as heat input to the absorption chiller generator. In order to evaluate if this configuration is the best for a solar cooling facility in Mediterranean warm climate areas (like inland Spain), a numerical simulation has been performed in the TRNSYS environment. This simulation has enabled the possibility of predicting the different behaviors that several configurations of solar cooling facilities would present. As a first step the simulation has been benchmarked with experimental data from the Universidad Carlos III solar cooling facility for 2005 summer season, presenting good agreement and thus validating the accuracy of the simulation. This experimental facility is configured to work with 50m2 collector area and 2000 liters HTES. Once validated, the simulation has been modified to work with several different configurations corresponding to “no thermal energy storage” (NTES), “cold thermal energy storage” (CTES) and the combined configuration of “heat and cold thermal energy storage” (HCTES). Parametric studies have been performed for all the configurations and its results were compared. For instance, the configuration that produces the highest value of cooling energy for a solar cooling facility of 50m2 collector surface is the HTES configuration. This is achieved for lower capacity values of thermal storage, below 1000 liters. An optimum HTES capacity was proposed for the installed solar cooling facility being 100 liters. This configuration presented the highest values of COP and SCOP. Also it was found that NTES configuration would achieve better performance compared to that of higher HTES capacities up to solar collector surfaces of 65m2. But when the cooling energy produced was compared to a typical single family Spanish dwelling thermal load, its value greatly overcomes the cooling demand and thus being not an optimum capacity when applied to the domestic sector. For this purpose, the CTES and HCTES configurations presented better time and shape matching to the cooling demand, achieving high COP and SCOP values, although not as high as 100 liters HTES capacity. The CTES and HCTES simulation results showed that both configurations presented almost same values of cooling energy produced, COP and SCOP. HCTES achieves higher COP values, but found not to be significant. CTES was selected over HCTES because presented a simpler configuration. From these simulation results the optimum solar cooling facility configuration for a domestic application was selected to be the 3000 liters CTES because of its better adaptation to the cooling demand. All these results were found for 50m2 collector surface. In spite of the better performance that the simulation for CTES presented, a considerable amount of cooling energy still overcomed the cooling demand. A parametric study varying the collector area and the flow rate of chilled water supplied to the load was conducted and an optimum configuration of 40m2 collector surface and 3000 liters CTES was found. The next step was to modify the experimental HTES solar cooling facility based on the simulation results. The 2000 liters HTES was bypassed and the 50m2 flat plate collectors originally installed in the facility were substituted with 43m2 evacuated flat plate collectors, being almost the optimum collector surface. Due to space limitations in the laboratory a 3000 liters could not be installed and in its place a 1000 liters CTES was installed. The mass flow rate of the chilled water sent to the load was also modified with the value found by the simulation and the 2008 summer season worked in order to characterize the CTES configuration. Moreover the facility was configured in order to be capable to bypass the CTES and work under NTES configuration. Both configurations were characterized for the 2008 summer season. It was found that the configurations presented better performance results from that of the 2000 liters HTES as predicted by the simulation. The seasonal fraction of the cooling demand supplied by the CTES solar cooling facility reached 43.7%.
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Tecnología de la climatización, Energía solar, Refrigeración
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