3.1 CUMPLIMIENTO DE LOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS
3.1.8 SUBPROYECTO 8: I+D de sistemas
Profundizar en toda la I+D desarrollada en las diferentes tecnologías consideradas en los subproyectos anteriores, tanto desde un perspectiva de investigación básica, aplicada y de innovación como de estudios precomerciales de los prototipos experimentales existentes. Esto se conseguirá con la ejecución de 4 fases explicadas en la memoria específica. Debe señalarse que el proceso investigador tiene una imagen parecida a la recogida en la figura adjunta. En ella desde las aplicaciones básicas que se han ido implementando y centrando en el objeto del proyecto ARFRISOL que quiere simbolizarse en el tronco común, por dinámica del proceso se producen nuevos campos de innovación que requieren un esfuerzo adicional fuera del alcance del presente PSE, en especial en:
• Nuevas consideraciones del edificio de consumo cero;
• La integración en un desarrollo de distrito con gestión (smart) unificada de la energía;
• El nuevo campo de las máquinas de absorción duales o transformadores mixtos;
• Ciclos activados con baja entalpía que permitan la captura eficaz cuando el margen es estrecho;
• El campo en relaciona los materiales de construcción buscando aquellos que energéticamente sean más eficientes, de menos huella y que mantengan la calidad del aire en unos parámetros saludables;
• El desarrollo de este SP, ha tratado de profundizar, mas allá que el meramente descriptivo de los C-DdI y a partir del análisis acometer nuevos retos, en diseño y prototipos, que puedan dar respuesta a los nuevos requerimientos. Surgido en el proyecto o en el campo de la arquitectura bioclimática, como son: las técnicas de aprovechamiento de energía solar pasiva desde el diseño, profundizando en los aspectos de refrigeración solar, tan necesario y fundamental en nuestra climatología; además de estudiar y mejorar los diferentes prototipos de sistemas solares activos que tienen desarrollados los participantes en este subproyecto para obtener equipos precompetitivos, preindustriales que al final del proyecto puedan ser puestos en el mercado pues se conocerán las respuestas. Continuar entendiendo y resolviendo nuevos retos en el estudio del fenómeno denominado frío solar profundizando en las bombas de absorción acopladas a los sistemas solares térmicos, pretendiendo que al final del proyecto se puedan poner en el mercado nuevos componentes, máquinas y sistemas, cuyo comportamiento será conocido en profundidad.
Concretando los ámbitos de las actuaciones a realizar, se refería a una serie de retos identificados en el diseño de los C-DdI y que son inherentes a algunas tecnologías, como son:
• la gestión energética de sistemas complejos en la que existen fuentes de energía muy diferentes y en la que juegan inercias muy importantes que son necesario gestionar adecuadamente para obtener confort en las instalaciones;
• la respuesta energética de sistemas insuficientemente estudiados como son las denominadas chimeneas solares o muros Trombe activos, pero además escasamente integrados en las construcciones actuales y que requieren de avances para su implantación, como son la industrialización, el diseño integrado;
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• la implantación de sistemas de combustión de biomasa automatizados e integrados en los sistemas de generación de calor de las instalaciones o su integración en sistemas de absorción para frío solar;
• la necesidad de caracterizar la biomasa a utilizar en los sistema de combustión que permitan garantizar en el mercado las capacidades energéticas de las mismas, la emisión de partículas, entre otras;
• la superación de limitaciones al funcionamiento de las máquinas de absorción muy limitadas por especificaciones muy estrictas en las condiciones de trabajo o para asegurar un funcionamiento continuo de las mismas sin producir estrangulamientos internos que requieren esfuerzo de mantenimiento extraordinarios;
Fig. 84.- El proceso de investigación
• la adecuada monitorización de los sistemas y el tratamiento de los datos que en volumen extraordinario requieren gestión e interpretación de los mismos en un contexto energético práctico que conduzca a establecer adecuadas normas de funcionamiento y del cálculo de eficiencias medias y estacionales, frente a los caudales instantáneos de difícil interpretación;
• investigación de nuevos elementos constructivos activos como son las chimeneas integradas con paneles térmicas o fotovoltaicas en su interior mejorando substancialmente la respuesta de los sistemas y todo ello hacia el diseño de sistema industriales, modulares, estandarizados para su implantación en los edificios y especialmente pensados para la rehabilitación de los mismos;
Sistemas pasivos: diseño, materiales
“Smart grid” en edificios y distrito Recuperación calores residuales Ciclos de absorción avanzados Autoconsumo O&M
Captación solar térmica
Regulación y control
Almacenamiento energético Máquinas de absorción
Captación solar FV
Subsistemas con biomasa
Máquinas de absorción duales Alianzas Tecnológicas: construcción-instalaciones Subsistema geotérmico Sistemas inteligentes Software de control predictivos
A
R
F
R
IS
O
L
BIPV Nuevos materiales de construcciónEL PROCESO DE
INVESTIGACIÓN
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• el diseño e implantación de bancos de ensayos para evaluar componentes activos y pasivos en el campo del frío solar o de captadores especiales de difícil ensayo en las instalaciones de homologación de los centros de certificación;
• la caracterización de componentes, prototipos y subsistemas que se llevan a cabo en ensayos de laboratorio y que posteriormente deben traducirse en modelos de cálculo y simulación que permitan reducir los costes de análisis y que definan una herramienta de uso por otros grupos de investigación;
Las tareas se han dividido en cuatro fases, referidas a innovaciones en los sistemas pasivos, los sistemas activos, el fenómeno del frío solar y actuaciones en calidad interior del aire. En concreto, estas fases han sido:
Fase 8 a: Investigación sobre estrategias de refrigeración solar pasiva, con un alcance que cubra, al menos, los siguientes campos:
• Profundizar en la investigación relativa a aspectos de climatización solar pasiva;
• Basados en la climatología, se ha llevado a cabo un plan de investigación sobre determinados elementos de la técnica natural buscando validación de los mismos;
• Investigar y modelar los fenómenos de ventilación natural, chimeneas solares, tubos enterrados, vegetación, etc.,
• Caracterizar nuevos materiales
Fase 8 b: Estudio de diferentes sistemas solares activos: captadores térmicos, módulos fotovoltaicos, etc., empleados en los C-DdI y los nuevos que puedan diseñarse. En esta apartado se han acometido las siguientes tareas:
• Realizar nuevos diseños avanzados en captadores solares y módulos fotovoltaicos buscando mejora de la integración, de la eficiencia y de los costes;
• Analizar distintos sistemas de equipos de prototipos pre-comerciales desarrollado en PSE ARFRISOL o desarrollados en otros programas de I+D;
• Evaluar diseños avanzados en el mercado nacional e internacional no contemplado por una u otra causa en los diseños de ARFRISOL
Fase 8 c: Profundizar en el fenómeno “frío solar” por medio de la investigación y mejora de los sistemas de absorción. Acometiendo los temas siguientes:
• Investigar mejoras en los sistemas de absorción actuales
• Desarrollar componentes o subsistemas para el nuevo mercado, con propuestas pre- comerciales
• Analizar energética y económicamente los prototipos que tienen desarrollados algunos participantes en el PSE.ARFRISOL procedente de otros proyecto de I+D.
Fase 8 d: Desarrollo y caracterización de los sistemas de tratamiento del aire interior. Las tareas a realizar relacionadas con esta fase son:
• Realizar avances en el campo fotocatalítico
• Establecer la dinámica de reacción para compuestos VOC
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El responsable del subproyecto ha sido el Director General de Innovación de Soliker (Grupo Unipolar), Dr. Juan Avellaner Lacal, a partir de 2008 y con anterioridad D. Juan Carlos Lavandeira.
Los socios participantes en este subproyecto, han sido los siguientes, resumiéndose su participación como se describe a continuación:
SOLIKER (Antes GRUPO UNISOLAR)
Soliker ha desarrollado el proyecto SP8 (I+D SISTEMAS) bajo dos cometidos: por un lado como participante en el desarrollo de trabajos y por otro como coordinador del subproyecto. En concreto los cometidos realizados han sido:
• Diseñar los prototipos y ensayar los mismos bien en las instalaciones de Soliker, bien en los centros de ensayos del resto de participantes;
• Documentar las características generales y especificas de los desarrollos;.
• Revisar la documentación de los C-DdI identificando mejoras
• Identificar desarrollos en frío solar, arquitectura solar pasiva y activa, especialmente en los nuevos campos de integración arquitectónica: BIPV, climatización sostenible, autoconsumo y “smart grid”.
• Apoyo técnico y administrativo en la preparación de informes de este SP.
Los trabajos concretos de Soliker se refieren a: refrigeración de las centrales de climatización con geotermia, su análisis e implicaciones respecto al control; diseño y funcionamiento energético de las fachadas prototipos puestas en seguimiento; la respuesta de la instalación compleja de ensayo de frío solar en Béjar con la máquina prototipo de CW nueva basada en dos almacenamientos simultáneos; la investigación en polímeros para su uso generalizado en energía solar, de los cuales se describen a continuación los más importantes; el seguimiento de los avances del banco UNIOVI; los avances en sistemas de gestión con nuevos algoritmos en la UAL.
Los trabajos desarrolladas por Soliker, resumidos a continuación son:
a) Investigación en aplicación generalizada de materiales poliméricos en sistemas de energía solar
La investigación llevada a cabo con material polimérico primero en disipadores radiativos y luego intentando llevar a cabo diseños avanzados de captadores todo plástico, han tenido algunos logros y otros han resultado de éxito improbable en el mercado
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b) Refrigeración de las máquinas de absorción con disipador geotérmico.
La investigación de trabajar coordinadamente con diversos sistemas de disipación y la utilización reversible de alguno de ellos ha sido una investigación llevada a cabo para aplicarse de forma generalizada en los C-DdI.
c) Seguimiento fachadas fotovoltaicas respuestas térmicas y eléctricas
En este campo de la integración de sistemas fotovoltaicos en la piel de los edificios se ha avanzado en los años del desarrollo del proyecto de forma clara y decidida. La integración de paneles semitransparentes y su uso en galerías, lucernarios y en todos los elementos de amortiguación solar, en invernaderos y otros tipo de aplicaciones (huecos-macizos) abre muchas posibilidades que inicialmente no existían. De igual forma una cierta revolución estética aparece en esta nueva arquitectura energética. El desarrollo de esta nueva disciplina que ha evolucionado desde una serie de aplicaciones que se hicieron al comienzo del programa ARFRISOL (aleros activos en E-70; cubrición de petos arquitectónicos en PSA, sombreamiento general como en la entrada de CEDER hasta los ensayos de prototipos de integración con nuevos equipos previstos para la integración hacia una arquitectura más racionalista.
Fig. 86.- Esquema de principio de frío solar y disipador con varias alternativas: seco, húmedo, radiativo y geotérmico
d) Seguimiento de la instalación prototipo de frío solar instalada en Béjar
La fábrica de Soliker en Béjar dispone de varias instalaciones que permiten obtener datos muy contrastados sobre operaciones de sistemas complejos de frío solar, de forma que se han podido ensayar diversos prototipos y en modos de operación muy diferentes de máquinas de absorción.
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Fig. 87.- Banco de pruebas de maquinas y sistemas de absorción (Béjar)
e) Diseño y experimentación de dispositivos integrados en fachadas
El diseño y experimentación de dispositivos captadores simples o mixtos integrados en las fachadas ha sido uno de los esfuerzos de investigación más interesantes desarrollados por Soliker. Se trata de diseñar supositivos que puedan integrarse en las fachadas bien por superposición, adosadas en ellas bien por construcción in situ, integradas en la fábrica. La variedad de soluciones es muy amplia pero en Soliker se ha buscado la modulación y estandarización para que puedan construirse en línea de fabricación con todas las garantías de pruebas y ensayos y seguimiento estricto de especificaciones que aporte garantía a través de método, de la certificación del proceso. De aquí se han alcanzado unos primero diseños preindustriales muy interesantes.
CIEMAT
Los principales trabajos realizados por el CIEMAT en este subproyecto se han llevado a cabo en el Laboratorio de Ensayos Energéticos para Componentes de la Edificación (LECE), en los C-DdI’s construidos en el PSE-ARFRISOL y en el Laboratorio de Fluidos.
El trabajo llevado a cabo también ha requerido el desarrollo, la mejora y la puesta a punto de instalaciones experimentales de gran valor para futuros trabajos de investigación experimental en el campo de la Eficiencia energética en la edificación.
A continuación se resumen los trabajos realizados.
• Dispositivo experimental para ensayo de paneles radioconvectivos en el LECE, y ensayo de prototipos desarrollados en el PSE-ARFRISOL e instalados en los C- DdI’s
Fig. 88.- Modelos de paneles radioconvectivos ensayados
• Ensayos de fachadas ventiladas en el LECE. En primer lugar se ha ensayado un muro homogéneo y opaco como configuración de referencia y posteriormente se ha llevado a cabo el ensayo del mismo muro tras añadirle una hoja cerámica en configuración de fachada ventilada y se ha cuantificado la diferencia entre ambas
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configuraciones. Estos ensayos han permitido extraer conclusiones relevantes en cuanto a la metodología de análisis de datos que han sido publicados.
• Dispositivo experimental para el estudio del intercambio de calor con el terreno en os C-DdI’s, que ha demostrado la importancia de este efecto y la necesidad de cuantificarlo adecuadamente.
• Dispositivo experimental para el estudio y evaluación experimental del intercambio de calor con el terreno en el LECE bajo condiciones controladas, para profundizar en el estudio y evaluación de este efecto.
• Dispositivo experimental para ensayo de techos en el LECE. Se ha diseñado y construido un recinto de ensayo optimizado para este tipo de componentes en clima cálido.
• Chimeneas solares en el LECE. Se ha optimizado el dispositivo experimental disponible y se han ensayado diferentes configuraciones para evaluar la importancia relativa de cada uno de los efectos que determinan su comportamiento energético.
• Investigación sobre fachadas ventiladas de junta abierta en el Laboratorio Experimental de Fluidos (LEF-UiE3), se han realizado medidas experimentales en un modelo de laboratorio, con una geometría concreta basada en dimensiones reales. Se han realizado medidas de velocidad en el plano medio, con un sistema de análisis velocimétrico por láser (PIV 2D), midiendo las temperaturas con sondas pt100 y con cámara termográfica. Se han realizado ensayos para diferentes condiciones de temperatura, variando el nivel de calentamiento de las plaquetas que componen la fachada. Se ha desarrollado un modelo numérico de fachada ventilada de junta abierta y se ha obtenido una validación experimental.
Fig. 89.- Izquierda: Distribución de los medidores de velocidad de viento en la cámara de aire, temperaturas superficiales de las losas porcelánicas y la densidad de flujo térmico. En la parte superior las 4 salidas de aire y medida de velocidad de aire correspondiente. Derecha: Fachada Ventilada con losas porcelánicas de color crema, e instrumentación instalada.
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Fig. 90.- Recinto para ensayo de techos. Izquierda Vista noroeste. Derecha Vista sureste. • Investigación sobre fachadas ventiladas de junta abierta en condiciones reales de
uso en el CDdI del SP2 (CIESOL) situado en la Universidad de Almeria. Se han considerado dos enfoques distintos y complementarios sobre el estudio del comportamiento de la fachada ventilada de juntas abiertas: numérico y experimental. A partir de ellos se ha profundizado en el objetivo de aportar una metodología de evaluación energética de fachadas ventiladas de juntas abiertas expuesta a la radiación solar en periodo de verano y de invierno. Este estudio, aporta una herramienta de evaluación de fachadas ventiladas de juntas abiertas que hasta ahora no existía.
Fig. 91.- Ensayo de fachada ventilada de junta abierta en Laboratorio Experimental de Fluidos (LEF-UiE3)
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Fig. 92.- Área de medida en la fachada del SP2 (CIESOL) y Comparación del modelo de CFC-3D, con imagen termográfica
Además de lo anteriormente expuesto se han realizado trabajos de investigación sobre calidad del aire interior de los C-DdI’s y aunque en la propuesta de trabajo que se presentó inicialmente, se contemplaba la realización de I+D sobre sistemas de purificación para mejorar, una vez cuantificado los contaminantes, la calidad ambiental del aire interior, debido a que una vez realizados los análisis de la calidad de aire en el interior de los C-DdI’s, los niveles de contaminación encontrados han sido bajos y como consecuencia, los sistemas de purificación que se habían planteado a lo largo del Proyecto, no eran eficaces ni necesario realizar.
El sistema propuesto inicialmente se basa en el uso de pinturas con recubrimiento de dióxido de titanio y que en función de los niveles de CO2 activar una luz ultravioleta para que a través de procesos de oxidación fotoquímica se redujese la concentración de este contaminante.
Debido a que este es un Proyecto que aborda varios campos de la investigación y nos encontramos en grupos de trabajo multidisciplinares, otro de los avances de la informática en el campo de redes, afectan de forma muy positiva. Sistemas ya ensayados de monitorización de temperaturas, humedad, consumos y concentración de CO2 entre otros; pueden abrir la posibilidad de crear centrales de medición de ciertos tipos de contaminantes ya ensayados para medidas puntuales y volcado de datos, manejo de equipos y solución de problemas a distancia. Dado que la mayoría de los análisis en estos momentos deben de duplicarse en el laboratorio, se toma esta idea de mejora, para un futuro no muy lejano y esperando que unifique muchos de los resultados de la investigación del Proyecto.
Universidad de Almería (UAL)
La Universidad de Almería (UAL) por medio del grupo TEP-197 has desarrollado diversos controladores automáticos para complementar las medidas activas del C-DdI CIESOL y poder alcanzar un óptimo confort térmico. A partir de los diferentes análisis de confort que se han realizado en el interior del C-DdI CIESOL, se llegó a la conclusión de que era necesario la utilización de un sistema de control que permita mantener el confort de los usuarios y, al mismo tiempo, minimizar el consumo de energía. Se realizaron una comparación entre varios enfoques de control predictivo que permitieron obtener un nivel de confort alto, optimizando el uso del sistema de climatización a través de distintas funciones de
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coste. Además, también se obtuvieron resultados reales en el interior del C-DdI CIESOL para cada una de las estrategias de control testeadas. Más concretamente, las estrategias de control propuestas están enfocadas desde dos puntos de vista diferentes:
• En el primer enfoque se utiliza una estrategia de control predictivo jerárquico (estrategia A y B) con distintas funciones de coste. En este caso, la capa superior se dedica a optimizar las referencias de temperatura necesarias para mantener el confort térmico. Por otro lado, la capa inferior se encarga de seguir esas referencias actuando directamente sobre el sistema de fancoils mediante controladores PID.
• En el segundo enfoque, el problema de control mencionado anteriormente se aborda directamente a través de estrategias de control predictivo clásico (estrategia C y D) con distintas funciones de coste, es decir, ahora el algoritmo de control predictivo optimiza el confort térmico de los usuarios generando entradas de proceso, la velocidad de los fancoils.
Además con vista a conseguir la energía requerida para mantener el confort térmico de los usuarios se han desarrollado un sistema de control por conmutación para la instalación de frío solar que se encuentra en el tejado del C-DdI CIESOL. Ya que los campos de captadores solares son sistemas que suelen presentar una importante no linealidad en su comportamiento. Cuando dichos sistemas son abordados aplicando estrategias clásicas de control lineal, se produce un error significativo con respecto al comportamiento deseado debido a dicha no linealidad, que implica que una misma acción de control puede provocar efectos diferentes dependiendo del estado actual del sistema. La alternativa lineal aplicada más habitualmente para tratar este fenómeno es la planificación de ganancias (Gain
scheduling), que se basa en el diseño de múltiples controladores lineales para distintos