[ES] La energía geotérmica de baja entalpía es una alternativa eficiente y renovable a los sistemas convencionales para proporcionar calefacción, refrigeración y producir agua caliente sanitaria (ACS) de forma sostenible. El proyecto GEOTeCH plantea el desarrollo de sistemas con bomba de calor geotérmica más eficientes y con un coste menor en comparación con el mercado. Para ello, se ha desarrollado un nuevo tipo de intercambiador enterrado coaxial con flujo helicoidal en el tubo externo que presenta una mayor eficiencia y permite reducir la longitud de intercambiador a instalar, así como una bomba de calor dual con compresor de velocidad variable, capaz de trabajar con el terreno o el aire como fuente/sumidero, seleccionando la que proporcione un mejor rendimiento del sistema. El principal objetivo es desarrollar un sistema eficiente y replicable para proporcionar calefacción, refrigeración y producir ACS en el sector de mercado de pequeños edificios con un tamaño menor en el campo de intercambiadores enterrados y un aumento de la eficiencia. Para demostrar la aplicabilidad de estos sistemas, se han construido tres instalaciones demostración en tres países europeos. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo dinámico completo del sistema en el software TRNSYS, capaz de reproducir el comportamiento de los diferentes componentes y del sistema en general. Este modelo constituye una herramienta útil para el desarrollo y análisis de diferentes estrategias de control sin la necesidad de implementarlas en instalaciones reales, así como analizar el comportamiento del sistema funcionando bajo condiciones diferentes. Para este propósito, es necesario desarrollar modelos detallados de los nuevos componentes desarrollados en el proyecto: el intercambiador enterrado coaxial helicoidal y la bomba de calor dual; para poder acoplarlos al resto de componentes en el modelo completo del sistema. Por ello, se ha desarrollado un modelo dinámico del nuevo intercambiador, capaz de reproducir con precisión el comportamiento a corto plazo del intercambiador, enfocado a la evolución de la temperatura del fluido, y se ha validado con datos experimentales en diferentes condiciones de operación. Para poder reproducir no solo el comportamiento dinámico del intercambiador enterrado, sino también la respuesta a largo plazo del terreno y la interacción entre intercambiadores en un campo, se ha desarrollado otro modelo en TRNSYS que realiza esta función. De esta manera, al acoplar ambos modelos es posible reproducir el comportamiento a corto plazo del intercambiador enterrado a la vez que la respuesta a largo plazo del terreno. Por otro lado, se ha implementado en TRNSYS un modelo de la bomba de calor dual desarrollado. Con este modelo es posible calcular la capacidad de la bomba de calor dependiendo del modo de operación en que esté funcionando, de la frecuencia del compresor y otras variables y condiciones de operación. El modelo del sistema dual en TRNSYS se ha utilizado para hacer un análisis de su comportamiento funcionando en diferentes climas, para ello se han seleccionado tres ciudades en España y en Europa con diferentes climas y se han realizado simulaciones del sistema funcionando en cada ciudad. Por otro lado, también se ha modelado en TRNSYS una de las instalaciones demostración del proyecto GEOTeCH, incluyendo el edificio climatizado y el acoplamiento con los fan coils. Con este modelo se estudia una nueva estrategia para controlar la frecuencia del compresor en base a la temperatura de las habitaciones, en lugar de controlarla en base a la temperatura de suministro, con el objetivo de reducir el consumo del compresor cuando ya se haya conseguido el confort. Además, otras estrategias de optimización se han analizado con el modelo.Por tanto, los modelos desarrollados constituyen herramientas útiles para ayudar en el diseño del sistema y los diferentes componentes, el análisis de su comportamiento y el d / [CA] L'energia geotèrmica de baixa entalpia es planteja com una alternativa eficient i renovable als sistemes convencionals per proporcionar calefacció, refrigeració i produir aigua calenta sanitària (ACS) de forma sostenible. El projecte GEOTeCH planteja el desenvolupament de sistemes amb bomba de calor geotèrmica més eficients i amb un cost menor en comparació amb el mercat. Per a això, s'ha desenvolupat un nou tipus d'intercanviador enterrat coaxial amb flux helicoïdal en el tub extern que presenta una major eficiència i permet reduir la longitud a instal·lar, així com una bomba de calor dual amb compressor de velocitat variable, capaç de treballar amb el terreny o l'aire com a font, seleccionant la que proporcione un millor rendiment. Aquests components s'utilitzen en el nou sistema amb bomba de calor dual. El principal objectiu és desenvolupar un sistema eficient i replicable per proporcionar calefacció, refrigeració i produir ACS en edificis xicotets amb una grandària menor d'intercanviadors soterrats i un augment de l'eficiència. Per demostrar l'aplicabilitat d'aquests sistemes, s'han construït tres instal·lacions demostració en Itàlia, Països Baixos i Regne Unit. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un model dinàmic complet del sistema en TRNSYS, capaç de reproduir el comportament dels components i del sistema en general. Aquest model constitueix una eina útil per al desenvolupament i anàlisi de diferents estratègies de control sense la necessitat d'implementar-les en instal·lacions reals, així com analitzar el comportament del sistema funcionant en condicions diferents. Per a això, cal desenvolupar models detallats dels nous components desenvolupats en el projecte: l'intercanviador enterrat i la bomba de calor dual; per poder acoblar-los a la resta de components. Per això, s'ha desenvolupat un model dinàmic del nou intercanviador enterrat, capaç de reproduir amb precisió el comportament a curt termini de l'intercanviador, enfocat a l'evolució de la temperatura del fluid, i s'ha validat amb dades experimentals en diferents condicions d'operació. Per a poder reproduir no només el comportament dinàmic de l'intercanviador soterrat, sinó també la resposta a llarg termini del terreny i la interacció entre intercanviadors en un camp, s'ha desenvolupat un altre model en TRNSYS que realitza aquesta funció. D'aquesta manera, en acoblar els dos models és possible reproduir el comportament a curt termini de l'intercanviador enterrat, al mateix temps que la resposta a llarg termini del terreny. D'altra banda, s'ha implementat en TRNSYS un model de la bomba de calor. Amb aquest model és possible calcular la capacitat de la bomba de calor depenent del mode d'operació en què estiga funcionant, de la freqüència del compressor i altres variables i condicions d'operació. El model del sistema dual en TRNSYS s'ha utilitzat per a fer una anàlisi del seu comportament funcionant en diferents climes, per a això s'han seleccionat tres ciutats a Espanya i tres a Europa amb diferents climes i s'han realitzat simulacions del sistema funcionant en cada ciutat durant un any. S'ha analitzat l'eficiència del sistema en cada ciutat, així com l'ús de cadascuna de les fonts (aire / terreny). D'altra banda, també s'ha modelat en TRNSYS una de les instal·lacions demostració del projecte GEOTeCH, incloent l'edifici d'oficines climatitzat i l'acoblament amb els fan coils. Amb aquest model es pretén estudiar una nova estratègia per a controlar la freqüència del compressor d'acord amb la temperatura de les habitacions, en lloc de controlar-la en base a la temperatura de subministrament, amb l'objectiu de reduir el consum del compressor quan les habitacions ja es troben en condicions de confort. A més, altres estratègies d'optimització s'han analitzat amb el model. Per tant, els models desenvolupats constitueixen eines útils per ajudar en el disseny del sistema i els diferents components, l'anàlisi del / [EN] Low enthalpy geothermal energy is considered as an efficient and renewable alternative to conventional systems to provide heating, cooling and Domestic Hot Water (DHW) production in a sustainable way. In this context, the GEOTeCH project proposes the development of more efficient geothermal heat pump systems with a lower cost compared to the market. To this end, a new type of coaxial Borehole Heat Exchanger (BHE) with helical flow through the outer tube has been developed, which presents a higher efficiency and allows to reduce the length of the heat exchanger to be installed, as well as a Dual Source Heat Pump (DSHP) with variable speed compressor, capable of working with the ground or air as a source / sink, selecting the one that provides the best performance of the system. These components are used in the new DSHP system developed. The main objective is to develop efficient and replicable systems to provide heating, cooling and DHW in the market sector of small buildings with a smaller size of the BHE field and an increase in the efficiency. To demonstrate the applicability of these systems, three demonstration facilities have been installed in Italy, the Netherlands and the UK. In this thesis, a complete dynamic model of the system has been developed in the TRNSYS software, capable of reproducing the behavior of the different components and the system in general. This model is a useful tool for the development and analysis of different control strategies without the need to implement them in real installations, as well as analyses the behavior of the system operating under different conditions. For this purpose, it is necessary to develop detailed models of the new components developed in the project: the BHE and the DSHP; to couple them to the rest of the components of the system. For this reason, a dynamic model of the new BHE was developed, able to accurately reproduce its short-term behavior, focused on the evolution of the fluid temperature, and validated with experimental data in different operating conditions. In order to reproduce not only the dynamic behavior of the BHE, but also the long-term response of the ground and the interaction between BHEs in a field, another model was developed in TRNSYS. In this way, by coupling both models, it is possible to reproduce the short-term behavior of the BHE as well as the long-term response of the ground. On the other hand, a model of the DSHP was implemented in TRNSYS. With this model, it is possible to calculate the capacity of the heat pump depending on the operating mode in which it is operating, the frequency of the compressor and other variables and operating conditions. The model of the hybrid system in TRNSYS has been used to make an analysis of its behavior working in different climatic conditions, for which three cities have been selected in Spain and three in Europe, with different climates. So, different simulations of the system have been carried out in each city for one year. The efficiency of the system in each city has been analyzed, as well as the use of each of the sources (air / ground). On the other hand, one of the demo-sites of the GEOTeCH project, including the conditioned office building and the coupling with the fan coils, has also been modelled in TRNSYS. With this model, it is studied a new strategy to control the frequency of the compressor based on the temperature of the rooms, instead of controlling it based on the supply temperature, with the aim of reducing the consumption of the compressor when the rooms are already in comfort conditions. In addition, other optimization strategies have been analyzed with the model. Therefore, the models developed, both for the BHE and the system, are able to reproduce their operation and can be used as virtual installations, constituting useful tools to help in the design of the system and the different components, the analysis of their behavior and the development of optimization strategies. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The present work has been supported by the European Community Horizon 2020 Program for European Research and Technological Development (2014-2020) inside the framework of the project 656889 – GEOTeCH (Geothermal Technology for Economic Cooling and Heating), also by the Generalitat Valenciana inside the program “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral (ACIF/2016/131)” and by the Institute for Energy Engineering of the Universitat Politècnica de València. / Cazorla Marín, A. (2019). MODELLING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF AN INNOVATIVE COAXIAL HELICAL BOREHOLE HEAT EXCHANGER FOR A DUAL SOURCE HEAT PUMP SYSTEM [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125696 / TESIS

[ES] En un contexto de creciente preocupación por el calentamiento global y de políticas energéticas internacionales, en el cual los sistemas de climatización de los edificios suponen una parte importante del consumo energético global, los sistemas de bombas de calor son considerados como opciones muy interesantes debido a su alta eficiencia y por ser fuentes de energía renovables. En este sentido, una caracterización precisa de estos equipos es de vital importancia con el objetivo de mejorar su diseño y, en aquellos casos dónde este tipo de unidades se integren como parte de sistemas más complejos, implementar estrategias de control eficientes. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en el modelado de bombas de calor con el fin de obtener modelos que permitan conocer con precisión el desempeño global de estas unidades en todo el rango de trabajo. En la primera parte del trabajo, se han realizado numerosos ensayos experimentales utilizando un nuevo prototipo de bomba de calor dual, obtenidos dentro del marco de trabajo del proyecto europeo GEOTeCH. Debido a la tipología hibrida de esta unidad, los resultados experimentales obtenidos incluyen datos de desempeño para las principales tecnologías de bombas de calor: las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas. Haciendo uso de toda esta información experimental, esta primera parte del trabajo se centra en obtener modelos polinómicos para la predicción del consumo eléctrico y las capacidades de calefacción y refrigeración en función de las variables externas a la unidad. Dichas variables son fáciles de obtener y suelen medirse en instalaciones reales. Por tanto, estos modelos caracterizan a la bomba de calor como un único componente, simplificando su implementación en modelos globales de sistemas más complejos donde se instalan estas unidades. Además, seleccionado un enfoque empírico para el modelado, en esta parte también se analizan algunos aspectos relevantes, como los términos a incluir en el polinomio, o cómo conformar las matrices experimentales de ensayo necesarias, es decir, cuántos puntos experimentales realizar y dónde situarlos en el rango de operación. Por último, la segunda parte de la tesis doctoral está dedicada a modelar uno de los componentes principales en estas unidades, el compresor. En este caso, el desarrollo de una extensa base de datos que incluye numerosos ensayos calorimétricos de las dos principales tecnologías de compresores, pistón y scroll, ha permitido el análisis detallado de las superficies de respuesta del consumo eléctrico y el caudal másico de refrigerante en función de las temperaturas de evaporación y condensación. A partir de esta información y siguiendo un enfoque similar al utilizado previamente, en esta segunda parte se revisan los modelos incluidos en la norma actual de caracterización de compresores, el estándar AHRI 540 (2020), para comprobar si son adecuados o si, por el contrario, debemos utilizar otro tipo de expresiones polinómicas. También se analizan en profundidad cuestiones críticas como el número de puntos necesarios para caracterizar cada tecnología de compresor, dónde situarlos en el dominio experimental, cómo evitar un posible sobreajuste del modelo minimizando problemas de extrapolación o interpolación, o cómo extrapolar los resultados para predecir con otros refrigerantes u otras condiciones de aspiración. / [CA] En un context de creixent preocupació per l'escalfament global i de polítiques energètiques internacionals, en el qual els sistemes de climatització dels edificis suposen una part important del consum energètic global, els sistemes de bombes de calor són considerats com a opcions molt interessants a causa de la seva alta eficiència i perquè són fonts d'energia renovables. En aquest sentit, una caracterització precisa d'aquests equips és de vital importància amb l'objectiu de millorar el seu disseny i, en aquells casos on aquest tipus d'unitats s'integren com a part de sistemes més complexos, implementar estratègies de control eficients. En aquest context, aquesta tesi doctoral se centra en el modelat de bombes de calor per obtenir models que permitisquen conèixer amb precisió el funcionament d'aquestes unitats a tot el rang de treball. A la primera part del treball, s'han realitzat nombrosos assajos experimentals utilitzant un nou prototip de bomba de calor dual, obtinguts dins del marc de treball del projecte europeu GEOTeCH. A causa de la tipologia hibrida d'aquesta unitat, els resultats experimentals obtinguts inclouen dades de funcionament per a les principals tecnologies de bombes de calor: les bombes de calor aerotèrmiques i geotèrmiques. Fent ús de tota aquesta informació experimental, aquesta primera part del treball se centra a obtenir models polinòmics per a la predicció del consum elèctric i les capacitats de calefacció i refrigeració en funció de les variables externes a la unitat. Aquestes variables són fàcils d'obtenir i se solen mesurar en instal·lacions reals. Per tant, aquests models caracteritzen la bomba de calor com un únic component, simplificant-ne la implementació en models globals de sistemes més complexos on s'instal·len aquestes unitats. A més, seleccionat un enfocament empíric per al modelatge, en aquesta part també s'analitzen alguns aspectes rellevants, com els termes a incloure al polinomi, o cóm conformar les matrius experimentals d'assaig necessàries, és a dir, quants punts experimentals realitzar i on situar-los al rang d'operació. Per acabar, la segona part de la tesi doctoral està dedicada al modelat d'un dels components principals d'aquestes unitats, el compressor. En aquest cas, el desenvolupament d'una extensa base de dades que inclou nombrosos assajos calorimètrics de les dues principals tecnologies de compressors, pistó i scroll, ha permès l'anàlisi detallat de les superfícies de resposta del consum elèctric i el cabal màssic de refrigerant segons les temperatures d'evaporació i de condensació. A partir d'aquesta informació i seguint un enfocament similar a l'utilitzat prèviament, en aquesta segona part es revisen els models inclosos a la norma actual de caracterització de compressors, l'estàndard AHRI 540 (2020), per comprovar si són adequats o si, per contra, cal utilitzar un altre tipus d'expressions polinòmiques. També s'analitzen en profunditat qüestions crítiques com el nombre de punts necessaris per caracteritzar cada tecnologia de compressor, on situar-los al domini experimental, cóm evitar un possible sobreajust del model minimitzant problemes d'extrapolació o interpolació, o cóm extrapolar els resultats per predir amb altres refrigerants o altres condicions d'aspiració. / [EN] In a context of global warming concerns and global energy policies, in which heating and cooling systems in buildings account for a significant amount of the global energy consumption, heat pump systems are widely considered as a really interesting option for enabling high efficiency and also for being renewable energy sources. In this sense, an accurate characterization of these units is of vital importance to improve their design and implement efficient control strategies, when the unit is integrated in more complex systems. Against this background, this PhD thesis focuses on heat pump modelling in order to create map-based models able to accurately characterize the global performance of these units for the entire working range. In the first part of this work, many experimental tests have been obtained for a new Dual Source Heat Pump prototype tested in the framework of the European project GEOTeCH. Due to the dual typology, the experimental results include performance data for the two main heat pump technologies: Air Source Heat Pumps and Ground Source Heat Pumps. By using all this experimental information, this first part focuses on obtaining empirical polynomial models capable of accurately predicting energy consumption and heating and cooling capacities as a function of external variables. Such variables are easy to measure and are usually recorded in real installations. Therefore, these models characterize the heat pump as a single component, simplifying its implementation in global models of more complex systems where these units are installed. Furthermore, selecting the empirical model approach, this part also includes some critical aspects, such as how to obtain the best polynomial expression, or how to perform the required experimental test matrices, i.e., how many tests should be conducted and where in the operating range. Finally, the second part of this PhD thesis is dedicated to modelling one of the main components of these units, the compressor. In this case, the development of an extensive database including numerous calorimetric tests on the two main compressor technologies, reciprocating and scroll compressors, has allowed the detailed analysis of the response surfaces of their performance parameters, i.e., the energy consumption and mass flow rate as a function of the evaporation and condensation temperatures. Using this information, and following an approach similar to that used in the first part, this second part reviews the models included in the current compressor characterization standard, the AHRI 540 (2020), in order to check whether they are appropriate or, on the contrary, whether we should use of other types of polynomial expression. Critical issues such as the number of points needed to characterize each compressor technology, where to place them in the experimental domain, how to prevent possible overfitting in the model adjustment to minimize extrapolation or interpolation problems, or how to extrapolate results for predicting other refrigerant or suction conditions, are discussed in depth. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The doctoral fellowship FPU15/03476 was founded by “Ministerio de Educación, Cultura y deporte” inside the program “Formación de Profesorado Universitario”, and the GEOTeCH project (No 656889) founded by the European Union under the “Horizon 2020 Framework Programme for European Research and Technological Development” / Marchante Avellaneda, J. (2023). Study of Response Surface Models for the characterization of the performance in Refrigeration Equipments and Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192653