In the framework of the conservation of early reinforced concrete structures from the last third of the 19th century up to 1914, this research deals with superstructures (excluding foundations, roads, pipes, etc.) in reinforced concrete (in the modern sense of the term – i.e. concrete made with artificial cement and rebars supplying tensile strength; thus, the combination of a metal profile embedded in concrete is excluded). The development of reinforced concrete as a building material started around 1880 and became widespread around the time of the First World War. Some of the structures concerned are listed as heritage properties today. Therefore they deserve specific and careful study to ensure long-term preservation of their historic, architectural, technical and socio-economic value. They bear witness to a period in construction history when reinforced concrete was a new material. The outbreak of the First World War marked the end of the initial period of innovation, exploration and experimentation. By then, reinforced concrete had become widely accepted and adopted as a suitable and effective building material. However, present-day attempts at restoration often prove inadequate, due to incomplete understanding of this period of construction and the characteristics of the first generation of reinforced concrete. If the causes of degradation are incorrectly diagnosed, the repairs are likely to be inappropriate. Moreover, the number of reinforced concrete structures requiring repair work is currently increasing with the natural ageing of the material. This phenomenon will continue to grow in the coming years.<p><p>With this in mind, the present research aims at identifying the specific structural characteristics of reinforced concrete structures erected before the First World War. Several axes of investigation were pursued in this PhD research and have resulted in the main observations detailed below. <p>- Based on a case study of the region of Brussels (Belgium), a database of structures built in reinforced concrete prior to 1914 was drawn up in order to place the material in its historical and geographical context. The inventory currently contains 507 examples and provides a panorama of the uses of reinforced concrete, ranging from numerous foundations and slabs to a complete structure from the end of the 1890s. This list is supplemented by a survey of a total of 605 patents filed for reinforced concrete in Belgium before the First World War. The early development of reinforced concrete was strongly related to national patenting, with a considerable number of systems being patented by private inventors for commercial purposes. Reinforced concrete profoundly transformed the building industry. All the professions working with the composite material had to change their approach, from the planning stage through to execution on the site. From the viewpoint of construction history, all these modifications make the time of the advent of reinforced concrete a particularly fruitful period to study. <p>- From the survey of early reinforced concrete structures in Brussels and the database of Belgian patents, the supremacy of the Frenchman François Hennebique and his system on the Brussels market for reinforced concrete (and, by extension, on the Belgian market) before 1914 is incontestable. This commercial achievement resulted from a combination of factors: an efficient structural system, meticulous attention to the quality of on-site reinforced concrete execution, and the commercial acumen to develop the business through advertising and other media. The well-known Hennebique system represents a monolithic structure including slabs, beams and columns. In fact, this system changed over the decades of operation of Hennebique’s company, not so much in relation to the design methods (his original semi-empirical method continued to be used) but particularly in practical terms (the type and location of the rebars among others). The evolution of the system is analysed by means of technical drawings from about 30 Belgian projects designed by Hennebique between 1900 and 1930. <p>- After the building contractors, who had been the first to believe in the structural and economic potential of reinforced concrete, engineers invented the calculation models and architects started developing new shapes. The Belgian engineer Paul Christophe was among the first theorists of reinforced concrete. The publication of his book Le béton armé et ses applications in 1899 is internationally recognised as a milestone in the rational modelling of structural reinforced concrete elements. Prior to the present study, details of his life and work remained largely uninvestigated, but the discovery of large parts of his personal archives has allowed clarification of his role in the popularisation of reinforced concrete, especially at the theoretical level.<p>- Reinforced concrete structures around the beginning of the 20th century were initially governed by empirical models of calculation (and execution) developed by the individual constructors. Gradually, reinforced concrete standards, published between 1904 and 1923 and based on working stress analysis and elastic modular ratio theory, replaced the utility of the patented systems. The different theoretical approaches are briefly described in this research. Mastering the theoretical assumptions and calculation methods used at the time represents the first step towards an appreciation of the structural behaviour and the possible weaknesses that can be expected.<p>- A review, based on literature published at that time, of the properties of the components of reinforced concrete allows identification of the characteristic materials used in the concrete matrix and the metal reinforcements. The execution process and the available technological tools for erecting a reinforced concrete structure are also addressed, as these would have had a direct influence on the quality of construction. Non-destructive and destructive experimental laboratory tests were performed on original samples, mainly removed from the Colo-Hugues viaduct (1904, Braine-l’Alleud, Hennebique system) in order to assess the mechanical properties, chemical features and durability issues for concrete and ferrous reinforcements. Comparing the results obtained using different techniques also makes it possible to determine the extent to which these techniques are reliable for the appraisal of early reinforced concrete structures. <p>- The structural efficiency of the Hennebique system is assessed based on an understanding of the principles of Hennebique’s semi-empirical method of calculation, but also – and primarily – by means of observations from experimental tests carried out on full-sized beams removed from the Colo-Hugues viaduct. Analysing and understanding the behaviour of the new composite material was a critical issue for promoting the use of reinforced concrete at the beginning of the 20th century. Today, what is required is a re-assessment of its structural behaviour. Three bending tests up to failure in simply supported conditions were performed at the BATir Department of the Université libre de Bruxelles on T-beams from the Colo-Hugues viaduct. This case study is representative of the majority of Hennebique structures, because the typical continuous straight T-beam is the main structural element of any Hennebique structure (bridge, building, etc.). The first test is a four-point bending test on a complete span (6 m) of the viaduct to obtain the response of the central part under positive bending moment. The flexural failure was ductile and occurred through yielding of the reinforcements followed by crushing of the concrete at mid-span. The second and third tests are three-point bending tests on 4 m long specimens centred on the column, representing the behaviour of the beam around the supports. These showed a sudden slipping failure due to loss of the adhesive bond between rebars. The results of these three experiments combined reproduce the actual behaviour of the viaduct in service. The bearing capacity of the Hennebique system in service and at ultimate has been demonstrated, at least for one loading case. These experimental tests provide essential data for a better understanding of the mechanisms of failure and reveal the main weaknesses of the Hennebique T-beam. Two strengthening solutions are suggested as supplementary information. <p>- The pathologies observed in early reinforced concrete structures (honeycombs, corrosion of the rebars, and so on) are mainly attributable to the tools and techniques that the builders had at their disposal (handmade compaction, high water-to-cement ratio, etc.) and by the limited contemporary knowledge of the physical and chemical phenomena, especially with regard to long-term effects. In fact, the concrete quality of the viaduct is surprisingly satisfactory despite its great age, due to the fact that the whole structure was covered with plaster, like the majority of reinforced concrete structures designed at that time.<p><p>This research establishes that reinforced concrete structures from 1880 to 1914 differ from later reinforced concrete structures. Taking into consideration the features of early reinforced concrete structures will contribute to ensuring sustainable conservation with limited intervention, thus preserving as much as possible of the original structure when restoration work is undertaken. Working on existing buildings often requires a multidisciplinary and holistic approach. The present study could thus be extended in various areas. For example, other structural aspects could be studied more in depth, such as demonstration of the shear strength of the Hennebique system or detailed consideration of the reinforcements (low adherence, particular anchorage devices, etc.)/<p>C'est dans le cadre de la conservation, au sens large du terme, que s'inscrit cette recherche sur les constructions en béton armé de première génération, c'est-à-dire de la fin du 19ème siècle au début du 20ème siècle. Cette recherche traite uniquement des superstructures, à l'exclusion des fondations, routes, tuyaux, etc. et en béton armé au sens moderne du terme, c'est-à-dire un béton réalisé à base de ciment artificiel et dont les armatures interviennent surtout pour reprendre les efforts de traction, ce qui exclut par exemple les utilisations de poutrelles métalliques enrobées de béton. Certains de ces ouvrages, réalisés entre 1880 et 1914, font aujourd'hui partie intégrante du patrimoine bâti, pour leurs valeurs architecturale, historique, technique ou aussi socio-économique. Ils jalonnent désormais l'histoire de la construction comme témoins d'une époque où le béton armé était un matériau nouveau. La Première Guerre mondiale marque la fin de cette période de premières innovations, d'explorations et d'expérimentations. Elle entérine l'acceptation et la diffusion du béton armé comme matériau de construction à part entière. Cependant, ainsi que le montrent certains projets de restauration actuels aux interventions inadéquates, il y a encore une méconnaissance des spécificités du béton armé de cette époque. Les causes de leurs dégradations mal diagnostiquées sont traitées de façon inappropriée. Or, dans les prochaines années, nombre de structures en béton armé construites dans la première moitié du 20ème siècle seront amenées à subir une rénovation suite au vieillissement naturel du matériau. C'est pourquoi pour conserver au mieux ces structures, il est indispensable d'étudier en détails leurs caractéristiques techniques pour ensuite intervenir, si nécessaire, de façon précise et adaptée.<p><p>Ce doctorat s'attèle donc à identifier les particularités des constructions en béton armé construites avant l'avènement de la Première Guerre mondiale, et plus spécifiquement à étudier leurs aspects structuraux. Plusieurs axes de recherche ont été développés et ont abouti aux principaux résultats suivants. <p>- Basé sur le cas de la région de Bruxelles-Capitale (Belgique), un inventaire des interventions en béton armé, construites avant 1914, a été dressé pour replacer le matériau dans son contexte historique et géographique. Cette base de données, comprenant 507 biens jusqu'à présent, illustre les types d'utilisation du béton armé dans la construction au début du 20ème siècle, d'abord des fondations ou simples planchers, jusqu'à une structure monolithique complète dès la fin des années 1890. Cet inventaire est complété par le relevé détaillé des brevets, au nombre de 605, déposés à ce sujet en Belgique avant la Première Guerre mondiale. Les brevets ont joué un rôle fondamental dans le développement du béton armé. Celui-ci était, en effet, régi par un foisonnement de systèmes commerciaux, majoritairement brevetés. L'introduction du béton armé a transformé en profondeur le secteur de la construction et notamment les professions liées tant à la phase de conception qu'au chantier lui-même. Du point de vue de l'histoire de la construction, toutes ces mutations font de l'avènement du béton armé une période historique riche. <p>- A la lecture du panorama offert par les inventaires des constructions et des brevets, la prééminence de la compagnie du Français François Hennebique, et donc de son système, sur le marché bruxellois (et par extrapolation sur le marché belge) du béton armé avant 1914 est indéniable. La réussite commerciale de Hennebique résulte d'une combinaison de facteurs: un système efficace sur le plan structural, une qualité d'exécution de béton coulé en place fiable et méticuleuse ainsi qu'un sens développé des affaires, en maîtrisant l'art de la promotion et de la publicité notamment. Le système bien connu de Hennebique comprend un ensemble monolithique formé par des dalles (hourdis), poutres et colonnes. Ce système a, en réalité, évolué dans le temps, pas tant d'un point de vue théorique (les calculs de dimensionnement sont les mêmes) mais plutôt pratique (positionnement, type d'armatures, etc.). Cette évolution a été observée par l'étude d'une trentaine de cas pratiques exécutés par Hennebique entre 1900 et 1930 en Belgique.<p>- Après les entrepreneurs, qui ont été les premiers à croire aux nouvelles possibilités constructives qu'offre le béton armé ainsi qu'à son succès commercial, les ingénieurs en inventent les principes de calcul et les architectes en révolutionnent les formes. L'ingénieur belge Paul Christophe fut parmi les premiers théoriciens du béton armé. La publication de son ouvrage Le béton armé et ses applications en 1899 constitue une étape importante, et internationalement reconnue, pour le dimensionnement rationnel d'éléments structuraux en béton armé. Jusqu'à la présente recherche, sa vie et son œuvre étaient restées assez confidentielles mais la découverte d'une partie de ses archives personnelles a permis de clarifier son rôle dans la diffusion, surtout théorique, du béton armé. <p>- Les structures en béton armé d'avant la Première Guerre mondiale furent d'abord gouvernées par des méthodes empiriques de dimensionnement (et d'exécution) développées par chaque constructeur. L'apparition des premières règlementations entre 1904 et 1923, basées sur une analyse en contraintes admissibles et la théorie du coefficient d'équivalence, remplace ensuite peu-à-peu l'utilité des systèmes brevetés. Les différentes approches théoriques sont brièvement décrites dans cette recherche. Maitriser les hypothèses et les méthodes de calculs employées à l'époque est, en effet, une première étape pour comprendre le fonctionnement structural prévu et les potentielles défaillances de dimensionnement. <p>- A travers une lecture attentive de la littérature publiée à cette période, les matériaux intervenants dans la fabrication du béton armé (c'est-à-dire le béton et les armatures) et utilisés couramment au début du 20ème siècle ont été identifiés ainsi que les moyens disponibles à cette époque pour produire des structures en béton armé. Des méthodes d'essais non-destructives et destructives ont été appliquées principalement, sur le viaduc Colo-Hugues (1904, Braine-l'Alleud, système Hennebique) afin d'évaluer les caractéristiques mécaniques, les propriétés chimiques et la durabilité tant du béton que des renforcements métalliques. Comparer les résultats de ces différentes méthodes permet d'aborder les limites d'utilisation de ces techniques, lorsqu'il s'agit d'évaluer structuralement des bétons armés de première génération. <p>- Grâce à la compréhension des principes, semi-empiriques, de dimensionnement appliqués par le bureau Hennebique en son temps mais surtout grâce aux observations déduites des essais expérimentaux réalisés sur des poutres de grandeur réelle, prélevées sur le viaduc Colo-Hugues, le fonctionnement structural réel du système Hennebique est évalué. Comprendre et modéliser le comportement du nouveau matériau composite fut une problématique fondamentale pour accroître l'usage du béton armé au début du 20ème siècle. Actuellement, il s'agit de réévaluer le comportement de ces structures. Trois essais jusqu'à rupture ont été menés, au département BATir de l'Université libre de Bruxelles, sur des poutres à gousset en T provenant du viaduc Colo-Hugues en conditions isostatiques et soumises à flexion. Ce viaduc des chemins de fer vicinaux est un cas d'étude représentatif de la majorité des constructions Hennebique, car la poutre de section en T est la structure typique du système Hennebique, utilisée tant dans les ouvrages d'art que dans les bâtiments. Le premier essai est une flexion 4 points sur une travée complète du viaduc (6 m de portée) pour obtenir la réponse en zone de moment maximum positif. La rupture ductile a eu lieu par plastification des armatures suivie d'un écrasement du béton en zone centrale, c'est-à-dire dans la zone la plus sollicitée. Deux éléments identiques de longueur de 4 m ont été essayés en flexion 3 points pour représenter le comportement sur appuis. La rupture de ces deux dernières expériences s'est produite suite à un glissement des armatures sur appuis (goussets à côté de la colonne). Il s'agit donc d'une rupture à caractère fragile. Les trois essais combinés représentent correctement la structure hyperstatique du viaduc dans son fonctionnement en service. La capacité portante réelle du système Hennebique en service et à l'état limite ultime, du moins dans un cas de chargement, a pu être expliquée. Ces essais fournissent les données essentielles pour estimer l'efficacité structurale du système Hennebique et identifier ses faiblesses. Deux solutions de renforcement sont proposées en complément d'information.<p>- Les pathologies observées dans les bétons armés datant du début du 20ème siècle (nids de graviers, corrosion des armatures, etc.) sont, la plupart du temps, causées par les outils sommaires à la disposition des constructeurs (vibration à la main, rapport eau/ciment plus élevé qu'aujourd'hui, etc.) et par une connaissance limitée des phénomènes physiques et chimiques, surtout à long terme. En fait, la qualité du béton du viaduc Colo-Hugues est particulièrement satisfaisante malgré l'âge avancé du béton, grâce notamment à l'enduit recouvrant l'ensemble du viaduc, ce qui est le cas pour la majorité des structures de la période étudiée.<p><p>Cette recherche démontre que les constructions en béton armé datant de 1880 à 1914 diffèrent des ouvrages postérieurs en béton armé et qu'il serait utile pour leur restauration de tenir compte de ces spécificités. La connaissance approfondie des particularités des constructions en béton armé de première génération permettra, espérons-le, de contribuer à leur longévité en intervenant le moins possible sur les structures d'origine. Etant donné que l'étude des structures existantes nécessite le plus souvent une approche pluridisciplinaire, ce travail pourrait être poursuivi dans plusieurs domaines variés. Il resterait notamment à approfondir d'autres aspects de stabilité, comme par exemple la démonstration de l'efficacité à l'effort tranchant du système Hennebique ou encore la prise en considération plus détaillée des armatures (adhérence limitée, forme d'ancrage particulier, etc.). / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[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

Tesis por compendio / [ES] La tecnología de bombas de calor se ha vuelto estratégica en Europa, está extendiéndose rápidamente y se planea que reemplace las calderas de gas en un futuro cercano. Sin embargo, aún enfrenta desafíos, como encontrar refrige-rantes nuevos viables y altamente eficientes, y mejorar aún más el rendimiento del sistema. Para abordar este último problema, han surgido las bombas de calor de velocidad variable que prometen reducir el consumo anual e incremen-tar el confort adaptando la potencia suministrada a las necesidades cambiantes. Esta tecnología se está implementando ya, pero carece de una metodología estandarizada para diseñar y seleccionar sus componentes. Esta tesis tiene como objetivo establecer pautas de diseño generales para la selección y diseño de componentes de bombas de calor de velocidad variable, y ofrecer información valiosa que se pueda traducir en herramientas para asistir en la simulación, diseño, selección y detección de fallas en estos dispositivos. El contenido del estudio se puede dividir en tres áreas temáticas: En una primera parte, se estudian los compresores de velocidad variable. El compresor es el primer componente que se selecciona en una bomba de calor, modula la capacidad y es el principal consumidor de energía. Sin embargo, no existen metodologías bien establecidas para modelar su comportamiento. En esta parte, se realizan ensayos de caracterización de compresores de velocidad variable y sus inversores para comprender su comportamiento y proporcionar correlaciones compactas para modelar su rendimiento. En la segunda parte, se propone una metodología para dimensionar los intercambiadores de calor en bombas de calor de velocidad variable. Nor-malmente, se diseñan para una potencia fija y temperaturas de trabajo constan-tes, sin embargo, en las bombas de velocidad variable, la capacidad y las tempe-raturas de trabajo fluctúan significativamente con el tiempo. En esta parte, se estudia la evolución del rendimiento de los intercambiadores de calor con la capacidad (velocidad del compresor) y se propone una metodología de selec-ción/dimensionamiento que considera la evolución de la capacidad requerida y de las condiciones climáticas externas a lo largo del año. Por último, se evalúa la circulación del aceite en las bombas de calor de velocidad variable. Gestionar la lubricación en los compresores de velocidad variable es un problema típico ya que, para tener suficiente lubricación a bajas velocidades, el compresor termina bombeando un exceso de aceite a altas velo-cidades. En esta parte se estudia la evolución de las tasas de circulación de acei-te con la velocidad y se analiza teóricamente su efecto en el rendimiento de la bomba de calor. / [CA] La tecnologia de les bombes de calor s'ha tornat estratègica a Europa, s'està estenent ràpidament i es preveu que substituïsca les calderes de gas en un futur pròxim. Tanmateix, encara s'enfronta a desafiaments com trobar refrigerants nous viables i altament eficients, i millorar encara més el rendiment del sistema. Per abordar aquest darrer problema, han sorgit les bombes de calor de velocitat variable que prometen reduir el consum anual i incrementar el confort adaptant la potència subministrada a les necessitats variables. Aquesta tecnologia ja s'es-tà implementant, però manca d'una metodologia estandarditzada per dissenyar i seleccionar els seus components. Aquesta tesi té com a objectiu establir pautes de disseny generals per a la se-lecció i disseny de components de bombes de calor de velocitat variable, i oferir informació valuosa que es pugui traduir en eines per ajudar en la simulació, disseny, selecció i detecció de fallades d'aquests dispositius. El contingut de l'estudi es pot dividir en tres àrees temàtiques: En una primera part, s'estudien els compressors de velocitat variable. El compressor és el primer component seleccionat d'una bomba de calor, modula la capacitat i és el principal consumidor d'energia. Tanmateix, no hi ha metodo-logies ben establides per modelar el seu comportament. En aquesta part, es realitzen assajos de caracterització de compressors de velocitat variable i els seus inversors per comprendre el seu comportament i proporcionar correlaci-ons compactes per modelar el seu rendiment. En la segona part, es proposa una metodologia per dimensionar els inter-canviadors de calor en bombes de calor de velocitat variable. Normalment, es dissenyen per a una potència fixa i temperatures de treball constants, no obs-tant això, en les bombes de velocitat variable, la capacitat i les temperatures de treball fluctuen significativament amb el temps. En aquesta part, s'estudia l'evo-lució del rendiment dels intercanviadors de calor amb la capacitat (velocitat del compressor) i es suggereix una metodologia de selecció/dimensionament que considera l'evolució de les càrregues i de les condicions climàtiques externes al llarg de l'any. Finalment, s'avalua la circulació de l'oli a les bombes de calor de velocitat variable. Gestionar la lubricació als compressors de velocitat variable és un pro-blema típic, ja que per tenir suficient lubricació a baixes velocitats, el compres-sor acaba bombejant un excés d'oli a altes velocitats. En aquesta part s'estudia l'evolució de les taxes de circulació d'oli amb la velocitat i s'analitza teòricament el seu efecte en el rendiment de la bomba de calor. / [EN] Heat pump technology has become strategic in Europe, it is rapidly spread-ing, and it is planned to replace gas boilers in the near future. However, they still have challenges to solve, such as finding new viable and highly efficient refriger-ants and further increasing their system performance. For this latter issue, vari-able-speed heat pumps arise, which claim to decrease annual consumption and increase comfort by adapting the delivered capacity to the changing loads. This technology is being implemented but lacks a standardized methodology to de-sign and select its components. This thesis aims to establish comprehensive design guidelines for selecting and designing variable-speed heat pump components and give insights that can translate into valuable information and tools for engineers to assist them in the pump simulation, design, selection and fault detection. The content of the study can be divided into three thematic areas: In the first part, variable-speed compressors are studied. The compressor is the first selected heat pump component; it modulates the capacity and is the primary energy consumer. However, there are no well-established methodolo-gies to model their behavior. In this part, extensive testing of variable-speed compressors and their inverters was carried out to understand their behavior and to provide compact correlations to model their performance. The second part proposes a methodology to size heat exchangers for variable-speed heat pumps. Typically, they are designed for a fixed capacity and constant working temperatures. However, the capacity and working tempera-tures fluctuate significantly overtime in variable-speed pumps. In this part, the performance evolution of heat exchangers with capacity is studied, and a meth-odological selection/sizing technique is proposed that considers the evolution of external climatic conditions and loads over the year. Lastly, the oil circulation in variable-speed heat pumps is assessed. Man-aging lubrication in variable-speed compressors is a typical issue, as a design valid for sufficient lubrication at low compressor speeds will end up pumping excess oil at high speeds. In this final part, the evolution of oil circulation rates with speed is studied, and its effect on heat pump performance is theoretically analyzed. / I am indebted to the Spanish and European governments for their financial support with the grant PRE2018-083535, which made this research possible. Their commitment to academic excellence and research advancement has been crucial in successfully completing this thesis. / Ossorio Santiago, RJ. (2024). Modelling of Heat Pumps Working with Variable-Speed Compressors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203104 / Compendio