Este proyecto consiste en el diseño de una central termosolar de colectores cilíndricos-parabólicos para producir 5MW en el distrito de Olmos. Como un prototipo de central con el propósito de determinar sus costos de generación junto con los beneficios ambientales asociados, para su posterior ampliación dentro del distrito de Olmos. Se tomaron criterios para la selección de la mejor opción tecnológica y de los principales componentes de la central de acuerdo a las condiciones geográficas y meteorológicas de la zona. Se van a tratar aspectos como el diseño de la planta solar, que implica el dimensionamiento de los espejos de los CCPs, las estructuras de soporte, la elección del fluido conductor (Sales fundidas o aceite sintético), así como los parámetros y especificaciones de los equipos que se van a utilizar en la central termosolar. Para determinar la viabilidad del proyecto se abordarán aspectos económicos y de rentabilidad como inversión necesaria. Por último, se han expuesto las conclusiones de los cálculos realizados de la central termosolar. / Tesis

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Realiza un estudio técnico de la energía térmica acondicionada para la climatización de una oficina. Calcula el calor total, calor sensible y el factor de calor sensible mediante el método del cálculo de los coeficientes globales de transferencia de calor.

Este proyecto consiste en el diseño de una central termosolar de colectores cilíndricos-parabólicos para producir 5MW en el distrito de Olmos. Como un prototipo de central con el propósito de determinar sus costos de generación junto con los beneficios ambientales asociados, para su posterior ampliación dentro del distrito de Olmos. Se tomaron criterios para la selección de la mejor opción tecnológica y de los principales componentes de la central de acuerdo a las condiciones geográficas y meteorológicas de la zona. Se van a tratar aspectos como el diseño de la planta solar, que implica el dimensionamiento de los espejos de los CCPs, las estructuras de soporte, la elección del fluido conductor (Sales fundidas o aceite sintético), así como los parámetros y especificaciones de los equipos que se van a utilizar en la central termosolar. Para determinar la viabilidad del proyecto se abordarán aspectos económicos y de rentabilidad como inversión necesaria. Por último, se han expuesto las conclusiones de los cálculos realizados de la central termosolar.

[EN] This PhD Thesis has been developed at the Instituto de Ingeniería Energética of the Universitat Politècnica de València, within the group SIMES dedicated to the research on thermal systems. The group SIMES has developed a research project on latent heat storage of thermal energy in which different materials have been studied in order to analyse their performance as phase change materials for the latent heat storage. The aim of this thesis is the development of two models in MATLAB for the simulation of the performance of latent heat thermal energy storage systems in their processes of charge and discharge, in particular for cold storage. The development of these models allows for a deep understanding of the mechanisms that are governing the performance of this systems. The need of two different models is due to the different physical nature of the studied phase change materials: water and paraffin RT8. Each material determines a different performance in the phase change process. While water presents two differentiated phases and separated by an interphase, the paraffin RT8 experiences the solid-liquid phase change in a temperature interval, within a mushy state which is not completely liquid nor solid. Consequently, it was necessary to develop of a moving-boundary model for the simulation of the tanks with ice-water, and another enthalpy model for the simulation of tanks with paraffin RT8 as PCM. Finally, the developed models have helped analyse the performance of both materials in different latent heat storage applications, and determine the suitable system for each case. The models are useful also as a tool for the design and sizing of the system, to study their operation and carry out techno-economical analysis of different configurations. / [ES] La presente tesis doctoral ha sido desarrollada en el Instituto de Ingeniería Energética de la Universitat Politècnica de València, dentro del grupo SIMES dedicado a la investigación de sistemas térmicos. El grupo SIMES ha desarrollado un proyecto de investigación de almacenamiento latente de energía térmica en el que se han estudiado diferentes materiales para analizar su comportamiento como materiales de cambio de fase para el almacenamiento latente. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de dos modelos en MATLAB para la simulación del comportamiento de depósitos de almacenamiento latente de energía térmica en sus procesos de carga y descarga, concretamente para la aplicación de almacenamiento de frío. El desarrollo de estos modelos permite conocer en profundidad los mecanismos que determinan el comportamiento de estos sistemas. El hecho de desarrollar dos modelos distintos se debe a la distinta naturaleza física de los materiales de cambio de fase estudiados: el agua y la parafina RT8. Dicha naturaleza determina un comportamiento distinto en sus procesos de cambio de fase. Mientras el agua presenta dos fases diferenciadas y separadas por una interfase, la parafina RT8 experimenta el cambio de fase sólido-líquido en un intervalo de temperatura, en el que el estado del material es un estado esponjoso que no resulta ser completamente sólido ni líquido. Por este motivo ha sido necesario el desarrollo de un modelo de frontera móvil para la simulación de los depósitos con agua-hielo, y otro modelo entálpico para la simulación de depósitos con la parafina RT8 como PCM. Finalmente, los modelos desarrollados permiten analizar el comportamiento de ambos materiales como almacenamiento latente en distintas aplicaciones, y determinar el sistema más adecuado en cada caso. Los modelos sirven también de herramienta de diseño y dimensionamiento del sistema, de su operación y para la realización de un estudio energético-económico y comparación de los resultados obtenidos con ambas configuraciones. / [CA] La present tesis doctoral ha sigut desenvolupada a l'Instituto de Ingeniería Energética de la Universitat Politècnica de València, dins del grup SIMES dedicat a la investigació de sistemes tèrmics. El grup SIMES ha desenvolupat un projecte de investigació d'emmagatzematge latent d'energia tèrmica en què s'han estudiat diferents materials per a analitzar el seu comportament com a materials de canvi de fase per a l'emmagatzematge latent. L'objectiu principal d'aquesta tesis és el desenvolupament de dos models en MATLAB per a la simulació del comportament de dipòsits d'emmagatzematge latent d'energia tèrmica en els seus processos de càrrega i descàrrega, concretament per a l'aplicació d'emmagatzematge de fred. El desenvolupament d'aquests models permet conèixer en profunditat els mecanismes que determinen el comportament d'aquests sistemes. El fet de desenvolupar dos models distints és degut a la distinta naturalesa física dels materials de canvi de fase estudiats: l'aigua i la parafina RT8. Aquesta naturalesa determina un comportament distint en els seus processos de canvi de fase. Mentre l'aigua presenta dos fases diferenciades i separades per una interfase, la parafina RT8 experimenta el canvi de fase sòlid-líquid en un interval de temperatura, en el que l'estat del material és un estat esponjós que no resulta ser completament sòlid ni líquid. Per aquest motiu ha sigut necessari el desenvolupament d'un model de frontera mòbil per a la simulació dels dipòsits amb aigua-gel, i un altre model entàlpic per a la simulació de dipòsits amb la parafina RT8 com a PCM. Finalment, els models desenvolupats permeten analitzar el comportament d'ambdós materials com a emmagatzematge latent en distintes aplicacions, i determinar el sistema més adequat en cada cas. Els models serveixen també de ferramenta de disseny i dimensionament del sistema, de la seua operació i per a la realització d'un estudi energètic-econòmic i comparació dels resultats obtinguts amb ambdues configuracions. / Biosca Taronger, X. (2016). MODELADO Y ANÁLISIS DE UN DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO LATENTE DE ENERGÍA TÉRMICA CON INTERCAMBIADOR DE TIPO SERPENTÍN [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62163

Tesis por compendio / [ES] El sistema de bomba de calor geotérmica (GSHP) es una tecnología prometedora para utilizar la energía geotérmica somera (EGS). En este sistema, un intercambiador enterrado de calor de perforación (BHE) desempeña un papel principal e influye directamente en el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) de este sistema geotérmico poco profundo. Se han llevado a cabo diferentes estudios para mejorar el rendimiento del BHE, incluyendo el uso de materiales avanzados para el plástico de las tuberías, uso de fluido caloportador (o de transferencia de calor) y de relleno/grouting, de mayor transferencia de calor, diseño de nuevas geometrías, y la optimización del BHE para ser utilizado como sistemas de almacenamiento de energía térmica (BTES). Los costes de perforación, el consumo eléctrico de las bombas de calor y la resistencia térmica de las perforaciones pueden reducirse utilizando materiales con propiedades termofísicas adecuadas, como los nanofluidos y los materiales de almacenamiento térmico. De este modo, no sólo se produce una transferencia de calor más significativa entre el fluido caloportador, el relleno y el terreno, sino que también se reduce el efecto térmico sobre el entorno. El fluido de transferencia de calor es uno de los factores de optimización de la BHE que se utilizará para el almacenamiento de energía térmica (TES). Una mayor conductividad térmica en el fluido de transferencia de calor mejora la eficacia de la transferencia de calor entre el fluido y los materiales alrededor, lo que lleva a alcanzar con mayor rapidez la temperatura de cambio de fase en los materiales de almacenamiento. Cuando se usa un fluido de transferencia de calor con una conductividad térmica superior, la temperatura del material de almacenamiento de calor experimenta fluctuaciones más rápidas, lo que reduce significativamente la duración necesaria para un cambio de fase completo. Además, usar materiales de cambio de fase (PCM) para almacenar calor en lugar del relleno convencional permite aprovechar el BHE como sistema BTES. Además de disminuir considerablemente la profundidad de perforación necesaria, el sistema BTES puede almacenar y liberar energía diaria y estacionalmente para reducir la carga durante las horas punta. Sin embargo, hay un vacío notable en la bibliografía sobre la exploración y aplicación de nuevos materiales de almacenamiento de calor y fluidos de transferencia de calor en las BHE para hacerlas aptas para fines de BTES. Aunque se han aplicado diversas innovaciones para mejorar el rendimiento de los BHE, como el uso de materiales plásticos avanzados y la optimización del diseño, la mayor parte de la investigación se ha centrado en el uso convencional de los BHE. Debería prestarse más atención a las ventajas potenciales del aprovechamiento de los intercambiadores de calor mediante la aplicación de nanofluidos y PCM como fluidos de transferencia de calor y medios de almacenamiento de calor, respectivamente. Como ya se ha mencionado, estos materiales poseen propiedades termofísicas superiores que pueden dar lugar a una transferencia de calor más eficiente, una reducción de los costes de perforación, un menor consumo de electricidad en las bombas de calor y una disminución de la resistencia térmica de la perforación. Esta laguna en la investigación hace necesaria una investigación en profundidad para determinar la viabilidad y factibilidad de la aplicación de estos materiales avanzados en las BHE, facilitando en última instancia su transformación en sistemas BTES fiables. Por lo tanto, los principales objetivos de esta tesis doctoral son estudiar experimental y numéricamente los impactos del uso de materiales avanzados para el fluido caloportador y el relleno/grouting tales como nanofluidos y PCMs, en el rendimiento del BHE como sistemas BTES. El estudio pretende seleccionar los materiales más favorables, convirtiéndose en una referencia práctica y fiable para futuros proyectos y sectores industriales. / [CA] El sistema de bomba de calor geotèrmica (GSHP, en anglès) és una tecnologia prometedora per a utilitzar l'energia geotèrmica succinta (EGS). En este sistema, un bescanviador enterrat de calor de perforació (BHE, en anglès) exercix un paper principal i influïx directament en el coeficient de rendiment estacional (SCOP) d'este sistema geotèrmic poc profund. S'han dut a terme diferents estudis per a millorar el rendiment del *BHE, incloent-hi l'ús de materials avançats per al plàstic de les canonades, ús de fluid termòfor (o de transferència de calor) i de grouting, de major transferència de calor, disseny de noves geometries, i l'optimització del BHE per a ser utilitzat com a sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica (BTES, en anglès). Els costos de perforació, el consum elèctric de les bombes de calor i la resistència tèrmica de les perforacions poden reduir-se utilitzant materials amb propietats termo-físiques adequades, com els nanofluids i els materials d'emmagatzematge tèrmic. D'esta manera, no sols es produïx una transferència de calor més significativa entre el fluid termòfor, el farciment i el terreny, sinó que també es reduïx l'efecte tèrmic sobre l'entorn. El fluid de transferència de calor és un dels factors d'optimització de la *BHE que s'utilitzarà per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica (*TES). Una major conductivitat tèrmica en el fluid de transferència de calor millora l'eficàcia de la transferència de calor entre el fluid i els materials al voltant, la qual cosa porta a aconseguir amb major rapidesa la temperatura de canvi de fase en els materials d'emmagatzematge. Quan s'usa un fluid de transferència de calor amb una conductivitat tèrmica superior, la temperatura del material d'emmagatzematge de calor experimenta fluctuacions més ràpides, la qual cosa reduïx significativament la duració necessària per a un canvi de fase complet. A més, usar materials de canvi de fase (PCM, en anglès) per a emmagatzemar calor en lloc del farciment convencional permet aprofitar el BHE com a sistema BTES. A més de disminuir considerablement la profunditat de perforació necessària, el sistema BTES pot emmagatzemar i alliberar energia diària i estacionalment per a reduir la càrrega durant les hores punta. No obstant això, hi ha un buit notable en la bibliografia sobre l'exploració i aplicació de nous materials d'emmagatzematge de calor i fluids de transferència de calor en les BHE per a fer-les aptes per a fins de BTES. Encara que s'han aplicat diverses innovacions per a millorar el rendiment dels BHE, com l'ús de materials plàstics avançats i l'optimització del disseny, la major part de la investigació s'ha centrat en l'ús convencional dels BHE. Hauria de prestar-se més atenció als avantatges potencials de l'aprofitament dels bescanviadors de calor mitjançant l'aplicació de nanofluids i PCM com a fluids de transferència de calor i mitjans d'emmagatzematge de calor, respectivament. Com ja s'ha esmentat, estos materials posseïxen propietats termo-físiques superiors que poden donar lloc a una transferència de calor més eficient, una reducció dels costos de perforació, un menor consum d'electricitat en les bombes de calor i una disminució de la resistència tèrmica de la perforació. Esta llacuna en la investigació fa necessària una investigació en profunditat per a determinar la viabilitat i factibilitat de l'aplicació d'estos materials avançats en les BHE, facilitant en última instància la seua transformació en sistemes BTES fiables. Per tant, els principals objectius d'esta tesi doctoral són estudiar experimental i numèricament els impactes de l'ús de materials avançats per al fluid termòfor i el grouting com ara nanofluids i PCMs, en el rendiment del BHE com a sistemes BTES. L'estudi pretén seleccionar els materials més favorables, convertint-se en una referència pràctica i fiable per a futurs projectes i sectors industrials. / [EN] Due to severe environmental pollution and worldwide energy deficiency, exploiting renewable energies has become more critical than ever. Shallow geothermal energy (SGE) is considered a sustainable and renewable energy source with significant advantages in space heating and cooling, industrial applications, greenhouses, electricity production, agriculture industry devices, and hot water production, among others. The ground source heat pump (GSHP) system is a promising technology for utilizing SGE. In this system, a borehole heat exchanger (BHE) plays an important role and directly influences the coefficient of performance (COP) of this shallow geothermal system. Different approaches have been carried out to enhance the performance of the BHE, including using advanced materials for pipes, heat transfer fluids, and backfill/grout, designing new geometries, and optimizing the BHE to be used as borehole thermal energy storage (BTES) systems. Drilling costs, heat pump electricity consumption, and borehole thermal resistance can be reduced using materials with appropriate thermo-physical properties like nanofluids and heat storage materials. This results in not only a more significant heat transfer between the heat transfer fluid, the backfill/grout, and the soil but also lessens the thermal effect on the surroundings. Heat transfer fluid is one of the factors in optimizing the BHE to be used for thermal energy storage (TES). Increased thermal conductivity in the heat transfer fluid enhances heat transfer efficiency between the fluid and the heat storage materials, leading to a more rapid attainment of the phase change temperature in the storage materials. In essence, when employing a heat transfer fluid with superior thermal conductivity, the temperature of the heat storage material experiences quicker fluctuations, resulting in a significant reduction in the duration required for a complete phase change. Moreover, the use of phase change material (PCM) as a heat storage medium instead of conventional backfill/grout enables the BHE to be beneficial and applicable as a BTES system. In addition to decreasing the required borehole depth considerably, the BTES system can store and release energy daily and seasonally to reduce the load during peak hours. However, there is a notable gap in the literature concerning exploring and applying new heat storage and heat transfer fluid materials in BHEs to render them suitable for TES purposes. While various approaches have been undertaken to enhance BHE performance, including using advanced materials and design optimizations, most research has concentrated on the conventional goal of BHEs. More attention should be given to the potential advantages of these heat exchangers by applying nanofluids and PCMs as heat transfer fluids and heat storage media, respectively. As mentioned above, these materials possess superior thermo-physical properties that can lead to more efficient heat transfer, reduced drilling costs, lower electricity consumption in heat pumps, and diminished borehole thermal resistance. This research gap necessitates an in-depth investigation to determine the feasibility and practicality of implementing these advanced materials in BHEs, ultimately facilitating their transformation into reliable BTES systems. The outcomes of such research endeavors hold the promise of addressing environmental concerns and global energy deficiencies by advancing the utilization of renewable energy sources like SGE sustainably and effectively. Therefore, the main objectives of this doctoral dissertation are to study experimentally and numerically the impacts of using advanced materials for heat transfer fluid and backfill/grout, such as nanofluids and PCMs, on the performance of the BHE as BTES systems. The study aims to select the most favorable materials, making it a practical and reliable reference for future projects and industry sectors. / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program named GEOCOND under grant agreement No [727583]. / Javadi, H. (2024). Experimental and Numerical Study of the Thermo-Fluid Dynamics of Borehole Heat Exchangers Incorporating Advanced Materials to be Optimized for use as Thermal Energy Storage (BTES) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203144 / Compendio