El crecimiento de la demanda eléctrica en Cataluña entre 1986 y 1999 ha sido alrededor de un 70% y se prevé para el año 2010 que dicha demanda sea un 43% superior a la actual. Incrementos similares en otras comunidades pueden provocar un colapso en el sistema eléctrico español.A pesar de que el crecimiento del consumo energético se debe principalmente al incremento de la capacidad productiva de nuestro país, cada vez es más significativo el efecto de la proliferación de equipos de climatización eléctricos en el computo global de dicha demanda. Actualmente, y aún siendo el sector de la climatización un mercado emergente en nuestro territorio, ya se considera que el 12% de la demanda eléctrica está destinada a la climatización de edificios y viviendas y es la principal causante de los picos de demanda anuales situados en los meses de julio y diciembre.Ante tal situación, y con las grandes perspectivas de expansión del mercado del aire acondicionado en nuestro país, en esta tesis se propone desarrollar un equipo de climatización que permita contribuir a satisfacer las necesidades térmicas en el sector residencial y pequeño comercio. Para ello, se propone un equipo de absorción que puede funcionar como bomba de calor en invierno con una potencia nominal de 24.5 kW y como equipo de refrigeración en verano con 20 kW de potencia frigorífica. En ambos casos, el consumo eléctrico previsto será inferior a 2 kW, ya que la energía de activación es térmica a temperaturas de 120-150ºC, pudiéndose utilizar tanto el calor procedente de la combustión o bien de energía solar.Los equipos de absorción convencionales presentan ciertas limitaciones derivadas de los fluidos que utilizan (cristalización y corrosión en el caso del Agua-Bromuro de Litio, y presiones elevadas y rectificación para el Amoniaco-Agua). En este trabajo, se ha adoptado la mezcla de fluidos orgánicos Metanol-Tetraetilenglicol-dimetiléter para solventar dichas limitaciones. Esta mezcla se caracteriza por ser completamente miscible, ser compatible con la mayor parte de materiales utilizados actualmente en los equipos de aire acondicionado y presentar una buena estabilidad térmica y química a las temperaturas de operación previstas. El equipo desarrollado opera en modo refrigeración bajo un ciclo de absorción-compresión de doble efecto, con un COP>1.2, mientras que en modo calefacción se convierte en un ciclo de simple efecto con un COP>1.4. En ambos casos, se ha incorporado una etapa de compresión con el fin de aumentar el intervalo de temperaturas de operación. De esta forma, no es necesario el uso de torres de refrigeración, pudiéndose utilizar aerorefrigeradores en su lugar.La utilización de intercambiadores de placas ha permitido contar con unas superficies de intercambio de calor elevadas, en un reducido volumen. Como resultado, el equipo presenta una baja inercia térmica y un tamaño aceptable.El equipo se ha experimentado en un banco de ensayos, construido a tal efecto, sometiéndose a las condiciones de operación previstas. Los resultados obtenidos confirman el buen comportamiento del equipo y del sistema de control adoptado. / The electrical demand in Catalonia has raised around 70% between 1986 and 1999, and the foreseen demand in 2010 is around 43% higher than the present one. Similar increases in other parts of the country may produce a collapse in the Spanish Electrical Network. Moreover, around 12% of the present electrical consumption in Spain is just for air conditioning.Considering this situation and the enormous favourable perspectives in the Spanish air conditioning market, the development of an absorption unit for residential and light commercial applications is proposed in this thesis. In the target conditions, the unit should to provide a heating capacity of 24.5 kW in winter, while in summer the cooling capacity is targeted to 20 kW. In both cases, the expected electrical demand is below 2 kW, because the driving energy required is from a thermal source at temperatures between 120 and 150ºC. Most of the commercial absorption units have some limitations related to working pair (corrosion, crystallisation, operating pressure or rectification). In order to overcome these limitations, in this study an organic pair has been selected, being the refrigerant Methanol and the absorbent Dimethylether tetraethylenglycol. The advantages of this mixture are its full miscibility, the good chemical and thermal stability in the expected operating temperatures and its compatibility with most of materials commonly used in the air conditioning units.The developed unit operates in summer under an absorption-compression double effect cycle with a COP>1.2, while in winter the unit is shifted to a single effect absorption-compression cycle with a COP>1.4. In both cases, the compression step provides a higher temperature lift between the evaporator and the absorber, which makes feasible to reject the heat through a dry system instead of a cooling tower.The unit has been built using plate heat exchangers in order to have high heat transfer surfaces in a low volume, accomplishing a compact unit with low thermal inertia.The first results obtained in a test facility confirm both the suitable control strategy and the promising perspectives for the unit.

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tessaro_Texto_Completo.pdf: 1100731 bytes, checksum: a25e34be9cb4e5f90fe05aef925878f7 (MD5) Previous issue date: 2011-09-21 / This research aimed to create two prototypes for general heating of aviary cutting the first prototype mounted from a heat pump air/air, and the second prototype mounted from passing an electric heater. As a specific objective to assess the energy performance of prototype 1 simulating various scenarios of temperature and air velocities of passage in its condenser, and compare this performance with the electrical efficiency of the prototype 2. The experiment was conducted at the Experimental Station of agro-meteorological State University of West of Paraná, Cascavel Campus, a Latitude 24º 59' South, Longitude 53º 26' West and altitude of 682 m in the period june-july 2011. From the data collected in prototypes 1 and 2 were calculated their coefficient of performance and energy efficiency. The survey results showed that the coefficient of performance heat pump prototype 1 ranged from 1.22 to 2.58 as a function of temperature of -3 to 30°C in its evaporator and varying the speed of air passing through your condenser. The best efficiency achieved by the prototype 2 was 0.96. Comparing the prototype, it was found that prototype 1 consumed 54% less electricity to produce the same amount of heat that the prototype 2, considering the same conditions of temperature and air velocity of passage. In relation to its applicability poultry, it was estimated that prototype 1 is able to meet the calorific requirement and temperature of a batch of up to 396 chicks in its initial phase, while the prototype 2 supply a maximum of up to 148 chicks. To this end, it was concluded that the prototype 1 in this work, assembled from a heat pump air/air, demonstrated technically be a new alternative system for heating of poultry cut because its technology employed is energy-efficient, also achieved the characteristics of zootechnical from temperature and air velocities required in an aviary of court. / A presente pesquisa teve como objetivo geral criar dois protótipos para aquecimento de aviário de corte, o primeiro protótipo montado a partir de uma bomba de calor ar/ar, e o segundo protótipo montado a partir de um aquecedor elétrico de passagem. Como objetivo especifico avaliar o desempenho energético do protótipo 1 simulando diversas situações possíveis de temperatura ambiente e velocidades do ar de passagem em seu condensador, e comparar esse desempenho com a eficiência elétrica do protótipo 2. O experimento foi conduzido na Estação Experimental Agro-meteorológica da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Cascavel, a uma Latitude 24º59 Sul, Longitude de 53º26 Oeste e altitude de 682 m, no período de junho a julho de 2011. A partir dos dados coletados nos protótipos 1 e 2 foram calculados os seus respectivos coeficiente de desempenho e eficiência energética. Os resultados da pesquisa mostraram que o coeficiente de desempenho da bomba de calor do protótipo 1 variou de 1,22 à 2,58 em função da variação da temperatura de -3 à 30oC no seu evaporador e da variação da velocidade do ar de passagem pelo seu condensador. A melhor eficiência alcançada pelo protótipo 2 foi 0,96. Na comparação entre os protótipos, verificou-se que o protótipo 1 consumiu 54% menos energia elétrica para produzir a mesma quantidade de calor que o protótipo 2, considerando as mesmas condições de temperatura ambiente e velocidade do ar de passagem aplicada. Em relação a sua aplicabilidade avícola, estimou-se que o protótipo 1 é capaz de suprir as necessidades caloríficas e de temperatura de um lote de até 396 pintainhos, em sua fase inicial, enquanto o protótipo 2 supri um máximo de até 148 pintainhos. Para tanto, concluiu-se neste trabalho que o protótipo 1, montado a partir de uma bomba de calor ar/ar demonstrou ser tecnicamente um novo sistema alternativo no aquecimento de aviários de corte, pois sua tecnologia empregada é energeticamente eficiente, além de alcançar as características zootécnicas de temperatura e velocidades do ar exigidas em um aviário de corte.

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alcione Rodrigo Tessaro.pdf: 1100733 bytes, checksum: 63be0e820d7b5f4c86fcab5ed0bf8617 (MD5) Previous issue date: 2011-09-21 / This research aimed to create two prototypes for general heating of aviary cutting the first prototype mounted from a heat pump air/air, and the second prototype mounted from passing an electric heater. As a specific objective to assess the energy performance of prototype 1 simulating various scenarios of temperature and air velocities of passage in its condenser, and compare this performance with the electrical efficiency of the prototype 2. The experiment was conducted at the Experimental Station of agro-meteorological State University of West of Paraná, Cascavel Campus, a Latitude 24º 59' South, Longitude 53º 26' West and altitude of 682 m in the period june-july 2011. From the data collected in prototypes 1 and 2 were calculated their coefficient of performance and energy efficiency. The survey results showed that the coefficient of performance heat pump prototype 1 ranged from 1.22 to 2.58 as a function of temperature of -3 to 30°C in its evaporator and varying the speed of air passing through your condenser. The best efficiency achieved by the prototype 2 was 0.96. Comparing the prototype, it was found that prototype 1 consumed 54% less electricity to produce the same amount of heat that the prototype 2, considering the same conditions of temperature and air velocity of passage. In relation to its applicability poultry, it was estimated that prototype 1 is able to meet the calorific requirement and temperature of a batch of up to 396 chicks in its initial phase, while the prototype 2 supply a maximum of up to 148 chicks. To this end, it was concluded that the prototype 1 in this work, assembled from a heat pump air/air, demonstrated technically be a new alternative system for heating of poultry cut because its technology employed is energy-efficient, also achieved the characteristics of zootechnical from temperature and air velocities required in an aviary of court. / A presente pesquisa teve como objetivo geral criar dois protótipos para aquecimento de aviário de corte, o primeiro protótipo montado a partir de uma bomba de calor ar/ar, e o segundo protótipo montado a partir de um aquecedor elétrico de passagem. Como objetivo especifico avaliar o desempenho energético do protótipo 1 simulando diversas situações possíveis de temperatura ambiente e velocidades do ar de passagem em seu condensador, e comparar esse desempenho com a eficiência elétrica do protótipo 2. O experimento foi conduzido na Estação Experimental Agro-meteorológica da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Cascavel, a uma Latitude 24º59 Sul, Longitude de 53º26 Oeste e altitude de 682 m, no período de junho a julho de 2011. A partir dos dados coletados nos protótipos 1 e 2 foram calculados os seus respectivos coeficiente de desempenho e eficiência energética. Os resultados da pesquisa mostraram que o coeficiente de desempenho da bomba de calor do protótipo 1 variou de 1,22 à 2,58 em função da variação da temperatura de -3 à 30oC no seu evaporador e da variação da velocidade do ar de passagem pelo seu condensador. A melhor eficiência alcançada pelo protótipo 2 foi 0,96. Na comparação entre os protótipos, verificou-se que o protótipo 1 consumiu 54% menos energia elétrica para produzir a mesma quantidade de calor que o protótipo 2, considerando as mesmas condições de temperatura ambiente e velocidade do ar de passagem aplicada. Em relação a sua aplicabilidade avícola, estimou-se que o protótipo 1 é capaz de suprir as necessidades caloríficas e de temperatura de um lote de até 396 pintainhos, em sua fase inicial, enquanto o protótipo 2 supri um máximo de até 148 pintainhos. Para tanto, concluiu-se neste trabalho que o protótipo 1, montado a partir de uma bomba de calor ar/ar demonstrou ser tecnicamente um novo sistema alternativo no aquecimento de aviários de corte, pois sua tecnologia empregada é energeticamente eficiente, além de alcançar as características zootécnicas de temperatura e velocidades do ar exigidas em um aviário de corte.

La energía geotérmica constituye una fuente inagotable de energía que puede ser extraída de la tierra por medio de bombeo de fluidos calentados en su interior, aprovechando su gran inercia térmica. Este intercambio de calor se realiza para proyectos geotérmicos de baja entalpía en pozos de energía o bien por medio del uso de aguas subterráneas. Para hacer uso del calor extraído es necesario integrar el sistema con una bomba de calor, que actuará como intermediaria entre el sistema de intercambio de calor o colector y sistema de distribución interno de la vivienda, aportando el complemento de energía necesario para acondicionar térmicamente el hogar. Este estudio consiste en el análisis y evaluación técnica, económica y legal de varias instalaciones geotérmicas de baja entalpía que se encuentran en funcionamiento, utilizadas para climatización de piscinas y aire acondicionado, en edificios dedicados al sector servicios como Hoteles, Centros Comerciales; y en un estudio de viabilidad en una Bodega en la que se propone la utilización de la energía geotérmica para la producción de frío y calor tanto para la obtención de vino como para la climatización y ACS en zonas varias. Los estudios se han realizado en la Isla de Lanzarote en lugar de la Isla de Tenerife ya que es donde podemos encontrar un mayor número de instalaciones de este tipo. No tenemos conocimiento de instalaciones de geotermia somera en la Isla de Tenerife, aunque vemos que es factible su utilización. La investigación incluye el seguimiento de varias instalaciones geotérmicas de baja temperatura mediante pozos que se encuentran en funcionamiento desde hace algunos años. Se llega a la conclusión de que técnicamente los sistemas geotérmicos de baja entalpía utilizados son factibles y permiten reducir costos. Los sistemas que utilizan aguas subterráneas, sistemas geotérmicos abiertos, presentan ventajas frente a los sistemas geotérmicos cerrados verticales, por tener costos iniciales que generalmente suelen ser menores. En España no existe ninguna Ley de Geotermia que regularice el uso del recurso geotérmico otorgando concesiones de exploración y explotación. La regulación en el caso de utilizar aguas subterráneas la tenemos en el Consejo Regulador de Aguas.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2017-06-16T10:22:50Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1008850 bytes, checksum: 2449c3ac92745b3cb932d4ea5dddd28b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-16T10:22:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1008850 bytes, checksum: 2449c3ac92745b3cb932d4ea5dddd28b (MD5) Previous issue date: 2007-08-30 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Different forms of air treatment are used for food drying. It is the purpose of this work to describe both the implementation and instrumentation of a system of heat pump for dehumidifying and heating up the drying air under temperatures higher than room temperature but lower that those employed in resistance dryers promoting, in this way, better product quality. Our pump system consists of an evaporator, a condenser, a thermal expansion valve, and a fan. The heat pump makes use of the energy dissipated by both the condenser and the compressor to heat up the air dehumidified by the evaporator. Our device has been better characterized by its effectiveness in heating up the air as well as by its efficient, drying capacity. Sensors were installed at both the inlet and outlet of the device in order to control relative humidity, dry bulb temperature and velocity. Tests were accomplished to verify airflow velocity at 6,1 m/s and 5,7 m/s. For each case, measurements were taken every 15 min, with entering air parameters under atmospheric pressure with temperatures ranging from 27 and 32 ºC, and relative humidity ranging from 68 to 80%. Analyses of the same parameters were carried out at both the heat pump outlet and along the cooling cycle. An energy-exergetic analysis of the heat pump was completed. Simulations were made with the help of computer programs on EES (Engineering Equation Solver) platforms.For these simulations, the programs were developed based on the following: Law of Mass Conservation, and the First and Second Laws of Thermodynamics. It was then possible to put forward some suggestions for improving the drying process and its instrumentation. / Diversos tipos de tratamentos do ar têm sido utilizados para secagem de produtos alimentícios. Este trabalho, tem como objetivo a montagem e instrumentação de um sistema de bomba de calor para desumidificação e aquecimento do ar de secagem utilizando temperaturas maiores que a ambiente, porém menores que os secadores resistivos, o que favorece um produto com qualidade melhor. O sistema de bomba de calor consiste de um evaporador, um condensador, um compressor, uma válvula de expansão e um ventilador. A bomba de calor aproveita a energia dissipada pelo condensador e compressor para aquecer o ar desumidificado pelo evaporador. O aparato foi caracterizado pela verificação da capacidade de aquecimento do ar e sua eficiência para secagem. Foram instalados na entrada e na saída do equipamento, sensores de umidade relativa, de temperatura de bulbo seco e de velocidade. Os testes foram realizados para velocidades do fluxo de ar de 6,1 m/s e 5,7 m/s. Para cada caso, foram realizadas medições a cada 15 min, com parâmetros de entrada do ar na pressão atmosférica, temperatura entre 27 e 32 ºC e umidade relativa entre 68 e 80 %, e verificação dos mesmos parâmetros na saída da bomba de calor, como também do ciclo de refrigeração. Foi realizada uma análise energética e exergética da bomba de calor. As simulações foram feitas através de programas computacionais na plataforma EES (Engineering Equation Solver). Para estas simulações, foram desenvolvidos os programas baseados na Lei da Conservação da Massa, da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica e com os resultados encontrados são feitas sugestões para melhoria do processo e instrumentação deste.

Orientador: Vivaldo Silveira Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-18T01:57:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Queiroz_LorenaAiresLombardi_M.pdf: 3856550 bytes, checksum: 772ac0e513c805ef7e7a144496ffab9a (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O processo mais simples para que a água alcance pureza adequada é a destilação convencional, porém este método tem como inconvenientes seu alto gasto com energia elétrica e seu elevado consumo de água. Buscando alternativas para produzir água purificada com economia de energia elétrica e água de resfriamento, mas com produção quanto à pureza equivalente ao convencional, surge a possibilidade da elaboração de um sistema de purificação de água pela desumidificação do ar com o auxílio de uma bomba de calor. O equipamento projetado para a purificação de água opera segundo um ciclo termodinâmico de refrigeração e é composto por duas partes: uma bomba de calor por compressão de vapor, do tipo ar-ar acoplada em um duto de ar, e uma câmara, onde ocorre a umidificação do ar, com ar recirculado. Foram testados, ainda, dois tipos de umidificadores, com recheio de vidro e um nebulizador A água produzida pode ser considerada purificada já que apresentou valores de condutividade elétrica entre 4 e 5 µS/cm. A bomba de calor apresentou um melhor desempenho quando foi utilizado o nebulizador, já que os COP obtidos foram maiores do que os obtidos nos ensaios com recheio de vidro, referente à umidificação adiabática / Abstract: The simplest process for water to reach adequate purity is the conventional distillation, however this method has drawbacks such as their high expense with electric energy and their high water consumption. Searching alternatives to produce purified water with saving energy and water cooling, but with production as purity as conventional, there is the possibility of developing a system for purifying water by dehumidification the air with a heat pump. The equipment designed for water purification operates on a thermodynamic cycle of cooling and is composed of two parts: a heat pump vapor compression, the type air-air coupled into an air duct, and a chamber where it occurs humidifying the air, with recirculated air. Were tested also two types of humidifiers, with filling of glass and a sprayer. The water produced can be considered as purified, since it showed electrical conductivity values between 4 and 5 ms / cm. The heat pump showed a better performance when the spray was used, since the COP obtained were higher than those obtained in tests with a filling of glass on the adiabatic humidification / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T20:30:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Reis_MaxMauroLozerdos_M.pdf: 8423703 bytes, checksum: 5b452213e84aa4386f6d9f3291cae840 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho foi realizado um conjunto de simulações numéricas de diferentes sistemas de bombas de calor em diferentes condições de funcionamento, para atender simultaneamente às demandas do ar condicionado e do consumo de água quente em edifício. Foram consideradas na proposta deste trabalho duas máquinas independentes, uma bomba de calor responsável pelo aquecimento e um ciclo de refrigeração para resfriamento da água. Além disso, foi investigado a possibilidade de empregar os efeitos de aquecimento e resfriamento de uma única bomba de calor padrão, duas bombas de calor em cascata e um sistema com dois estágios de compressão com separador de gás flash. Para estas alternativas fez-se necessária a complementação da energia térmica através de uma bomba de calor auxiliar para atender a demanda total de água quente e fria e os desempenhos dos sistemas de bombas de calor foram comparados através de uma análise energética. Um programa em ambiente MATLAB® foi desenvolvido e envolveu relações termodinâmicas e de transferência de calor para os sistemas de bombas de calor e sistema de distribuição de água quente e fria para o edifício, a fim de aproximar o funcionamento dos sistemas reais. Utilizaram-se ferramentas como o método de Substituição-Newton-Raphson, para a solução dos problemas em regime permanente, e que também foi utilizado juntamente com o método de Euler para resolução em condições variáveis ao longo de 24 horas. Os resultados confirmaram a viabilidade energética ao utilizar bombas de calor, podendo obter para o efeito de aquecimento de água uma economia de até 72% no consumo de energia elétrica, quando comparado ao chuveiro elétrico. Através dos resultados também foi possível observar que o sistema de bomba de calor com separador de gás flash desempenha sua função de forma mais eficiente, energeticamente, quando comparado ao sistema padrão e em cascata / Abstract: In this work it was realized a set of numerical simulations of different heat pump systems in different operation conditions to meet simultaneously the demands of air conditioning and hot water consumption in a building. It was considered in propose this work two independent machines, a heat pump responsible for heating and a refrigeration cycle responsible for cooling water. Moreover, it was explored the possibility to employ the both effects, heating and cooling, of a standard heat pump, two heat pumps in cascade and a system with two compression stages with a flash gas separator. For the last alternatives it was necessary complementary thermal energy through an auxiliary heat pump to meet the total demand of hot and cool water. The performance of the heat pump systems was compared through an energetic analysis. A program in MATLAB® was developed involving of thermodynamic and heat transfer relations for the heat pumps and water distribution systems in the building with purpose to approach the real system operation. Moreover, the method Substitution-Newton-Raphson was used to solve the problems in steady state and this method together with Euler method were used to solve in variable conditions throughout 24 hours of the day. The results confirmed the energetic feasibility using heat pump systems. These systems will be able to save up to 72% in energy consumption using heating effect comparing to an electric shower. Furthermore, the system with flash gas separator it works of more way energetically efficient than other systems as a standard and a cascade systems / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T20:19:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CordovaLobaton_ObedAlexander_M.pdf: 3664265 bytes, checksum: 7d0e4dd270c0e374e1759964ae336178 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O trabalho apresenta metodologias computacionais de otimização e simulação para o desenvolvimento do projeto de um sistema de bomba de calor para aquecimento de água em prédios residenciais, especialmente para uso em banho na região de Campinas. O sistema bomba de calor foi simulado focando o estudo nos trocadores de calor (evaporador e condensador). Cada componente foi otimizado mediante uma análise térmica e econômica que permitiu reduzir custos de investimento e de operação através do desenho e dimensionamento de cada trocador; todo foi feito através de um algoritmo de otimização usando o método de SQP (Programação Quadrática Sequencial) e auxiliado pela função fmincon do ambiente MatLab® Uma vez selecionado o melhor conjunto de elementos de cada trocador de calor, o projeto ótimo foi simulado a diferentes condições de operação através do Método de Substituição-Newton- Raphson. Os resultados obtidos reafirmam que as bombas de calor permitem uma grande economia de energia quando comparados com outros tipos de aquecimento de água, especialmente, o chuveiro elétrico / Abstract: This work presents computational methodologies, of optimization and simulation for design of a heat pump system, for heating water in residential buildings, especially for domestic shower use, in the region of Campinas. The heat pump system was simulated focusing the study on the heat exchangers (evaporator and condenser). Each component was optimized by thermal and economic analysis, by which the design and size of each exchanger where sought so as to reduce investment and operating costs, through an optimization algorithm, using the SQP method (Sequential Quadratic Programming) and assisted by the function fmincon from MatLab. Then, after the best set of elements selection of each heat exchanger, the resulting design was simulated under different operating conditions by the Substitution-Newton-Raphson method. The results confirm that the heat pumps provide significant energy savings when compared with other types of water heating, especially the electric shower / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: José Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-21T13:48:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernandes_BrunoGimenez_M.pdf: 2463368 bytes, checksum: 7a65b802c5c28920eb9aaf7dd78e4ec9 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo do presente trabalho está na otimização econômica de um sistema com bomba de calor utilizado no aquecimento de água para banho em um edifício com reservatório térmico, para armazenamento de água quente. A otimização da bomba de calor envolve relações termodinâmicas, econômicas, de transferência de calor e mecânica dos fluidos, com o objetivo de obter o menor custo de aquecimento equivalente (CEA) da bomba de calor e do sistema. Dando continuidade a outros trabalhos já realizados na Unicamp, destacam-se neste trabalho a inclusão de perdas de carga na bomba de calor, maiores limites das variáveis não lineares a serem otimizadas, relações de transferência de calor mais realistas e a simulação do reservatório térmico de água, obtendo um volume compatível com a demanda do edifício e a eficiência da bomba de calor, durante sua utilização. No projeto preliminar, é utilizado o método de Substituição - Newton Raphson, obtendo as áreas iniciais de transferência de calor dos trocadores de calor (evaporador e condensador), o coeficiente de desempenho (COP), vazão do fluido refrigerante R- 134a (utilizado na bomba de calor), a potência do compressor, entre outros. No projeto otimizado, os valores obtidos na simulação anterior são considerados como estimativas iniciais no processo de otimização. Nesse processo o algoritmo de otimização escolhido é a Programação Quadrática Sequencial (SQP), disponível na função fmincon do MatLab'MARCA REGISTRADA'. Nas simulações do reservatório térmico, a estimativa de volume foi de 3 a 30 m3, obtendo a variação da temperatura para cada um dos volumes, é avaliado o menor trabalho médio do compressor da bomba de calor, com a variação de cada temperatura do reservatório, para que possa ser escolhido um volume adequado. Na finalização do projeto, são obtidos os melhores valores das áreas de troca de calor do evaporador e condensador, valor mínimo do CEA (função objetivo em questão) e volume do reservatório térmico, conforme condições de perdas de calor do sistema (reservatório e tubulação) e trabalhos de entrada, necessários em seu funcionamento / Abstract: The purpose of this work is the economic optimization of a system with heat pump used to heat water for bathing in a building with a thermal reservoir for hot water storage. Optimization of heat pump involves thermodynamic relations, economics, heat transfer and fluid mechanics, in order to obtain the lowest cost of heating equivalent (CEA) and heat pump system. Continuing to other work already done at Unicamp, stands out in this work to include pressure losses in the heat pump, higher limits of non-linear variables to be optimized, relations of heat transfer and more realistic simulation of the thermal reservoir water obtaining a volume compatible with the demand of the building and the efficiency of the heat pump during its use. In the preliminary design, the method is used Substiution - Newton Raphson, getting the initial areas of heat transfer of heat exchangers (evaporator and condenser), the coefficient of performance (COP), flow of refrigerant R-134a (used in Heat pump), the compressor power, among others. In the optimized design, the values obtained in previous simulation as initial estimates are considered in the optimization process. In this case the optimization algorithm chosen is the Sequential Quadratic Programming (SQP), available in the MatLab'TRADE MARK' function fmincon. In simulations of the thermal reservoir, the estimated volume was 3 to 30 m3, resulting temperature variation for each of the volumes is the lowest rated working medium of the heat pump compressor, with the temperature variation in each reservoir, can be chosen so that a suitable volume. At project completion, the best values are obtained from the areas of heat transfer from the evaporator and condenser, the minimum value of CEA (objective function in question) and the thermal reservoir volume, as conditions of heat losses from the system (tank and piping) and work input required for its operation / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

[EN] The use of ground source heat pump systems has spread during the last years. When designing, studying and optimizing this kind of systems, models are used, more or less detailed, which allow predicting the behavior of the system within the application minimum requirements. The installation studied in this thesis is located at Universitat Politècnica de València. In this report, the development of a global detailed model of this installation is presented, along with its validation using experimental data. The main objective is to obtain a model able to correctly predict the dynamic and static behavior of the system, both on a short- and a long-term basis. Prior to the model development, it is necessary to study the performance of the experimental system. Besides the system description, also an analysis of the performance of the installation during five years (from 2008 to 2012) is carried out. For this analysis, some characteristic parameters of the system behavior have been taken into account which are obtained from the experimental measurements corresponding to the typical operation of the installation, such as the average water temperatures, the building's thermal load, the partial load ratio, or the daily and seasonal performance factors. Since the study and analysis of these parameters is one of the aims of the present work, the calculation procedure and the formulas used for their determination are detailed, in some cases involving a highly complex raw data processing. From the short-term evolution study of the variables that represent the performance of the installation, the main characteristics of the system dynamic behavior are identified. The model will intend to reproduce these characteristics. On the other hand, the long-term performance parameters are studied as monthly averages. In this analysis, the characteristic trends of the system long-term performance are identified. The model should be able to also reproduce these trends. The global model has been developed using the TRNSYS software. A progressive incorporation strategy has been followed. At each step, the correct adjustment of the model is ensured by validating it with experimental data, allowing the identification of the influence that each component has on the final results. When including the ground source heat exchanger to the global model, it is evident the need for a new model for this component that can correctly reproduce both the dynamic and static response of the water temperature at the end of the pipes of the heat exchanger. Therefore, as a final step, a new ground source heat exchanger model has been developed, based on combining two different models: the g-function model in order to account for the long-term behavior of the ground temperature, and the B2G model, specifically developed for this application. The ground source heat exchanger model has been validated against experimental data from two different installations and, finally, it has been included into the global model of the system. The system global model developed has proved to be able to precisely reproduce the experimental results for the system performance, both on a short- and long-term basis, even after including the modifications that have occurred on the experimental installation along the years. Therefore, the model will be a useful tool for the development of future optimization strategies, together with the corresponding control algorithms. / [ES] En los últimos años se han extendido las instalaciones de climatización con bomba de calor acoplada al terreno. En el diseño, el estudio y la optimización de este tipo de instalaciones se utilizan modelos con mayor o menor nivel de detalle que permiten predecir el comportamiento del sistema dentro de unos requerimientos mínimos específicos de la aplicación en concreto. La instalación objeto de estudio de la presente tesis se encuentra situada en la Universitat Politècnica de València. A lo largo de esta memoria se presenta el trabajo de desarrollo de un modelo global detallado de esta instalación, así como su validación con datos experimentales. El objetivo perseguido es el de obtener un modelo capaz de predecir correctamente el comportamiento dinámico y estático de la instalación, tanto a corto como a largo plazo. Previo al desarrollo del modelo en sí, es necesario estudiar el comportamiento de la instalación experimental. Además de una descripción detallada del sistema, se realiza un análisis de su funcionamiento a lo largo de varios años (del año 2008 al 2012). Para este análisis se han tenido en cuenta diversos parámetros característicos del comportamiento energético del sistema, obtenidos a partir de las medidas experimentales registradas en el funcionamiento habitual de la instalación. Uno de los objetivos de esta tesis es precisamente el estudio y análisis de estos parámetros, por lo que se han detallado las fórmulas y el procedimiento de cálculo utilizado para su obtención, que en algunos casos puede presentar una gran complejidad en el manejo y tratamiento de los datos experimentales. A partir del estudio de la evolución a corto plazo de las variables representativas del funcionamiento de la instalación, se identifican las principales características del comportamiento dinámico del sistema, que se intentarán reproducir con el modelo desarrollado. Por su parte, el estudio de los parámetros característicos del funcionamiento a lo largo de varios años se realiza teniendo en cuenta los valores correspondientes a promedios mensuales. En este análisis se identifican también las tendencias características del comportamiento del sistema a largo plazo, que posteriormente el modelo global de la instalación deberá ser capaz de reproducir. El modelo global se ha desarrollado utilizando la herramienta TRNSYS. Para ello se ha seguido una estrategia de incorporación progresiva de componentes. En cada paso se asegura un correcto ajuste del modelo mediante su validación con datos experimentales, lo cual permite identificar y aislar los efectos de cada componente sobre los resultados finales. Al incluir el intercambiador enterrado en el modelo global, queda patente la necesidad de un nuevo modelo de intercambiador enterrado capaz de reproducir el comportamiento tanto dinámico como estático de la temperatura del agua a la salida del mismo. Así pues, como último punto de la tesis, se ha desarrollado un modelo de intercambiador enterrado, basado en la combinación de dos modelos distintos: el modelo \emph{g-function} para tener en cuenta el comportamiento a largo plazo de la temperatura del terreno y el modelo B2G, desarrollado específicamente para esta aplicación. Este modelo de intercambiador enterrado ha sido debidamente validado con datos experimentales pertenecientes a dos intercambiadores distintos y, posteriormente, se ha incluido en el modelo global de la instalación. El modelo global de la instalación desarrollado de esta forma consigue reproducir con precisión los resultados experimentales del funcionamiento del sistema tanto a corto como a largo plazo, incluso después de aplicar las mismas modificaciones que se han ido aplicando a la instalación experimental a lo largo de los años, y resulta ser, por tanto, una herramienta útil para el desarrollo de futuras estrategias de optimización energética, junto con los algoritmos de control correspondientes. / [CA] Als últims anys s'han estès les instal·lacions de climatització amb bomba de calor acoplada al terreny. En el disseny, l'estudi i la optimització d'aquest tipus d'instal·lacions s'utilitzen models amb major o menor nivell de detall que permeten predir el comportament del sistema dins uns requeriments mínims específics de l'aplicació en concret. La instal·lació objecte d'estudi de la present tesi es troba a la Universitat Politècnica de València. Al llarg d'aquesta memòria es presenta el treball de desenvolupament d'un model global detallat d'aquesta instal·lació, així com la seua validació amb dades experimentals. L'objectiu perseguit es el d'obtindre un model capaç de predir correctament el comportament dinàmic i estàtic de la instal·lació, tant a curt com a llarg termini. Prèviament al desenvolupament del model en sí, es necessari estudiar el comportament de la instal·lació experimental. A més de una descripció detallada del sistema, es realitza un anàlisi del seu funcionament al llarg de diversos anys (de l'any 2008 al 2012). Per a aquest anàlisi s'han considerat diversos paràmetres característics del comportament energètic del sistema, obtinguts a partir de les mesures experimentals registrades en el funcionament habitual de la instal·lació, com per exemple les temperatures mitjanes de l'aigua en diversos punts del sistema, la demanda tèrmica de l'edifici, el factor de càrrega parcial o els factors de rendiment diari i estacional. Un dels objectius d'aquesta tesi és precisament l'estudi i anàlisi d'aquestos paràmetres, pel que s'han detallat les fórmules i el procediment de càlcul emprat per a la seua obtenció, que en alguns casos pot presentar una gran complexitat en el tractament de les dades experimentals. A partir de l'estudi de la evolució a curt termini de les variables representatives del funcionament de la instal·lació, s'identifiquen les principals característiques del comportament dinàmic del sistema, que s'intentaran reproduir amb el model desenvolupat. Per altra banda, l'estudi dels paràmetres característics del funcionament al llarg de diversos anys es realitza tenint en compte els valors corresponents a promitjos mensuals. En aquest anàlisi s'identifiquen també les tendències característiques del comportament del sistema a llarg termini, que posteriorment el model global de la instal·lació deurà ser capaç de reproduir. El model global s'ha desenvolupat utilitzant la ferramenta TRNSYS. Amb aquest fi s'ha seguit una estratègia d'incorporació progressiva de components. A cada pas s'assegura un correcte ajust del model mitjançant la validació amb dades experimentals, la qual cosa permet identificar i aïllar els efectes de cada component sobre els resultats finals. Al incloure l'intercanviador soterrat en el model global, queda de manifest la necessitat d'un nou model d'intercanviador soterrat capaç de reproduir el comportament tant dinàmic com estàtic de la temperatura de l'aigua a la eixida del tub. Així, com últim punt de la tesi, s'ha desenvolupat un model d'intercanviador soterrat, basat en la combinació de dos models distints: el model \emph{g-function} per a tindre en comte el comportament a llarg termini de la temperatura del terreny i el model B2G, desenvolupat específicament per a aquesta aplicació. Aquest model d'intercanviador soterrat ha sigut degudament validat amb dades experimental de dos intercanviadors distints i, posteriorment, s'ha inclòs en el model global de la instal·lació. El model global de la instal·lació desenvolupat d'aquesta manera aconsegueix reproduir amb precisió els resultats experimentals del funcionament del sistema tant a curt com a llarg termini, inclús després d'aplicar-hi les mateixes modificacions que s'han anat aplicant a la instal·lació experimental al llarg dels anys, y resulta ser, per tant, una ferramenta útil per al desenvolupament de futures estratègies d'optimització energèti / Ruiz Calvo, F. (2015). Análisis y modelado de una instalación geotérmica para climatización de un conjunto de oficinas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/54134