Evaluación energética y optimización de un novedoso sistema de bomba de calor dual en diferentes climatologías de Europa

Abstract

[ES] El siguiente TFM es una investigación complementaria a los estudios desarrollados en el marco del proyecto GEOTeCH. La novedad de este TFM radica en el enfoque individual para la simulación y evaluación de un sistema de bomba de calor dual (DSHP) en tres condiciones climáticas en Europa (climas frío, medio y cálido), como el componente principal del DSHP, el intercambiador enterrado coaxial (BHE), se diseña de forma independiente para cada ciudad representativa (Estocolmo, Estrasburgo y Atenas, respectivamente). Además, se analizan los parámetros de control del sistema, en todas las climatologías, para seleccionar el que optimice el rendimiento energético del sistema. El TFM tiene tres objetivos principales. El primer objetivo es diseñar la longitud óptima del BHE coaxial para el sistema DSHP en Estocolmo, Estrasburgo y Atenas. Para ello se utiliza la Guía de Diseño GEOTeCH y se verifican los tamaños de pozo obtenidos mediante dos softwares diferentes: GLHEPro y TRNSYS. Una vez que se determina la profundidad de BHE para cada caso específico, el segundo objetivo es evaluar el desempeño energético del DSHP a lo largo de los 25 años. La evaluación energética del sistema en cada ciudad sirve como caso de referencia para un análisis más detallado de la aplicación de las diferentes estrategias de control de fuente. Cada ubicación se caracteriza por una climatología diferente, lo que significa que los cambios en los parámetros de control del sistema pueden diferir entre las ubicaciones analizadas. Deben probarse diferentes parámetros de control para seleccionar los que mejor optimicen el rendimiento del sistema DSHP. Los resultados del TFM validan el uso de las Directrices GEOTeCH para el diseño del campo BHE. La configuración de BHE seleccionada para cada ciudad es la rectangular de 2 x 2, con un tamaño total de 170.6 m, 168 m, 131.3 m, en Estocolmo, Estrasburgo y Atenas, respectivamente. Aunque los valores anuales de SPF4 del DSHP son relativamente bajos (SPF4_STO=3.04, SPF4_SXB=3.06, SPF4_ATH=3.80), la evaluación energética a largo plazo del sistema indica que el DSHP tiene la capacidad de mantener la eficiencia durante los 25 años de funcionamiento. Por último, el método de optimización del control de fuente da como resultado solo un pequeño aumento en la eficiencia del 0.11%, 0.12% y 0.34% en Estocolmo, Estrasburgo y Atenas, respectivamente. Por otro lado, el uso de diferentes parámetros de control tiene un mayor impacto en la proporción de uso del suelo y del aire, lo que puede ser beneficioso para reducir el tamaño del BHE y, por tanto, el coste de la instalación.

[EN] The following master thesis is a complementary investigation for the studies developed in the framework of the GEOTeCH project. The novelty of this master thesis lays in the individual approach for a Dual Source Heat Pump (DSHP) system simulation and assessment in three climatic conditions in Europe (cold, average, and warm climates), as the main component of the DSHP ¿ the coaxial Borehole Heat Exchanger (BHE) ¿ is designed independently for each representative city (Stockholm, Strasbourg, and Athens respectively). Furthermore, the source control parameters are analyzed in all locations to select the one that best enhances the system energy performance. The master thesis has three main objectives. The first objective is to design the optimal length of the coaxial BHE for the DSHP system in Stockholm, Strasbourg, and Athens. For this purpose, the GEOTeCH Design Guide is used, and the obtained borehole sizes are verified using two different software: GLHEPro and TRNSYS. Once the BHE depth is determined for each specific case, the second objective is to assess the long-term energy performance of the DSHP during 25 years of operation. The energy assessment of the system in each city serves as a reference case for further analysis comprised of the application of the different source control strategies. Each location is characterized by a different climatology, meaning that the changes in the governing parameters of the control system might differ between the analyzed locations. Different control parameters are tested to select the one that best improves the performance of the DSHP system. The results of the master thesis validate the use of the GEOTeCH Guidelines for the design of the BHE field. The BHE configuration selected for each city is the rectangular 2 x 2, with the total size of 170.6 m, 168 m, 131.3 m, in Stockholm, Strasbourg, and Athens, respectively. Although the yearly SPF4 values of the DSHP are fairly low (SPF4_STO=3.04, SPF4_SXB=3.06, SPF4_ATH=3.80), the long-term energy assessment of the system indicates that the DSHP has the ability to maintain the efficiency during the 25 years of operation. Finally, the source control optimization method results only in a small increase in efficiency of 0.11%, 0.12%, and 0.34% in Stockholm, Strasbourg, and Athens, respectively. On the other hand, using different control parameters has a stronger impact on the proportion of the use of the ground and air, which may be beneficial for reducing the BHE size, and therefore the cost of the installation.