A través de los años se ha incrementado la demanda de energía eléctrica en el Perú, además se ha limitado el crecimiento de las centrales de fuentes renovables ocasionando una dependencia hacia las centrales no renovables y una baja diversificación de la matriz energética; por tal motivo se realizaron diferentes estudios de aprovechamiento de recursos renovables para la generación de energía eléctrica. Basándose en estos estudios se desarrolló un proyecto de dimensionamiento de una central eléctrica en Moquegua, el cual pueda conectarse al SEIN. El objetivo general fue Dimensionar una central geotérmica de 8 MW en Moquegua, así mismo se planteó como objetivos específicos Analizar la situación actual de la generación y trasmisión de energía eléctrica en el Perú, Determinar la ubicación geográfica de la central geotérmica, Evaluar el potencial energético de la central geotérmica y Dimensionar la central geotérmica. Los resultados evidenciaron que la instalación de la central geotérmica es viable.

La investigación consiste en la evaluación del confort térmico en las aulas de una escuela modelo tipo Sierra, ubicada en la ciudad de Cusco, así como una propuesta de mejora térmica basada en un diseño bioclimático. En la introducción, se presentan los antecedentes de la arquitectura vernácula. Se explica la problemática energética producto de la masificación de sistemas constructivos y la aparición de sistemas de aire acondicionado cuyo fin se justifica en satisfacer requerimientos de confort interno. La revisión de literatura presenta los estudios relacionados al confort interno de edificaciones así como estrategias bioclimáticas que permitan alcanzar la zona de confort según las variables climáticas de los emplazamientos. Para la evaluación del confort en el caso práctico se utiliza el programa computacional “Design Builder” que brinda resultados del confort para ser analizados. Finalmente, en la evaluación de resultados se discute el análisis del confort del caso práctico y cómo la propuesta de diseño bioclimático contribuye a alcanzar los niveles de confort deseados en la escuela.

O estudo experimental apresentado nesta dissertação foi realizado para avaliar a resposta térmica de fundações por estacas trocadoras de calor, que podem ser usadas para reduzir o elevado consumo de energia em sistemas de condicionamento de ar no Brasil. A principal motivação para a produção deste trabalho foi a ausência de estudos sobre o desempenho térmico de estacas e/ou furos trocadores de calor em solo tropical, que é muito comum em nosso país. Para esta pesquisa, cinco ensaios de resposta térmica (TRT) foram realizados no Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo em São Carlos/SP, Brasil. A camada de solo superficial deste terreno consiste de solo tropical não saturado, composto de areia argilosa coluvial (laterítico) sobre um solo residual de arenito (saprolito). O ensaio in situ denominado TRT é o método experimental mais comum para a determinação das propriedades térmicas de sistemas de fundações por estacas trocadoras de calor. Os experimentos foram realizados em duas estacas escavadas, com 12 m de profundidade, equipadas com tubos trocadores de calor, instaladas em uma camada de solo com temperatura média em torno de 24°C. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a performance de estacas trocadoras de calor na condição de solo e clima investigados (alta temperatura do solo, solo laterítico não saturado com alta porosidade próximo a superfície). Também foram verificados os efeitos da posição do nível d\'água, da vazão da água circulante na estaca, e da duração do ensaio nas propriedades térmicas das estacas trocadora de calor avaliadas. Os resultados encontrados da taxa de troca de calor por metro de estaca neste estudo variam 79 a 110 W/m, portanto, estas estacas mostram bom potencial de transferência de calor no local investigado. Os resultados desse estudo fornece informações úteis para a avaliação da eficiência de estacas trocadoras de calor como um sistema de refrigeração em regiões tropicais e subtropicais brasileiras. / Brazil is the fifth largest buyer of air conditioner in the world because of its tropical and subtropical climate. To address this problem, the current experimental study was carried out to evaluate the thermal response of energy piles that can be used to reduce the high energy consumption in cooling systems in Brazil. The key factor that motivates this study is that unsaturated tropical soils cover a significant part of the Brazilian territory, and the thermal performance of heat exchanger piles in typical Brazilian soil and climate has not been investigated before. Five Thermal Response tests (TRT) were conducted for this research in the Geotechnical research field of the University of São Paulo at São Carlos/SP, Brazil, of unsaturated tropical soil, including a superficial layer composed of colluvial clayey sand (lateritic) overlaying in a residual sandstone soil (saprolitic). Thermal response tests are the most common experimental method for determining thermal properties of the energy foundation systems. The tests were performed on two drilled piles of 12m length equipped with heat transfer pipes, installed a soil layer with average temperature of 24°C. The main objective of this work was to obtain some data about the thermal energy delivery of energy piles in the soil and climate condition investigated herein (high ground temperature, unsaturated and tropical soil with high porosity). The effects of ground water table, flow rate, duration of test, and number of heat exchanger U-pipes on the thermal properties of the energy pile were also evaluated in this study. The thermal parameters obtained allowed a first evaluation about the thermal efficiency of the piles in the particular soil. The results of heat exchange rate found in this study vary from 79 to 110 W/m, therefore energy piles installed in the investigated site show good heat transfer potential. This study provides interesting information to the evaluation of heat exchange efficiency in energy foundations to be used as a cooling system in tropical and subtropical Brazilian regions.

O estudo experimental apresentado nesta dissertação foi realizado para avaliar a resposta térmica de fundações por estacas trocadoras de calor, que podem ser usadas para reduzir o elevado consumo de energia em sistemas de condicionamento de ar no Brasil. A principal motivação para a produção deste trabalho foi a ausência de estudos sobre o desempenho térmico de estacas e/ou furos trocadores de calor em solo tropical, que é muito comum em nosso país. Para esta pesquisa, cinco ensaios de resposta térmica (TRT) foram realizados no Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo em São Carlos/SP, Brasil. A camada de solo superficial deste terreno consiste de solo tropical não saturado, composto de areia argilosa coluvial (laterítico) sobre um solo residual de arenito (saprolito). O ensaio in situ denominado TRT é o método experimental mais comum para a determinação das propriedades térmicas de sistemas de fundações por estacas trocadoras de calor. Os experimentos foram realizados em duas estacas escavadas, com 12 m de profundidade, equipadas com tubos trocadores de calor, instaladas em uma camada de solo com temperatura média em torno de 24°C. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a performance de estacas trocadoras de calor na condição de solo e clima investigados (alta temperatura do solo, solo laterítico não saturado com alta porosidade próximo a superfície). Também foram verificados os efeitos da posição do nível d\'água, da vazão da água circulante na estaca, e da duração do ensaio nas propriedades térmicas das estacas trocadora de calor avaliadas. Os resultados encontrados da taxa de troca de calor por metro de estaca neste estudo variam 79 a 110 W/m, portanto, estas estacas mostram bom potencial de transferência de calor no local investigado. Os resultados desse estudo fornece informações úteis para a avaliação da eficiência de estacas trocadoras de calor como um sistema de refrigeração em regiões tropicais e subtropicais brasileiras. / Brazil is the fifth largest buyer of air conditioner in the world because of its tropical and subtropical climate. To address this problem, the current experimental study was carried out to evaluate the thermal response of energy piles that can be used to reduce the high energy consumption in cooling systems in Brazil. The key factor that motivates this study is that unsaturated tropical soils cover a significant part of the Brazilian territory, and the thermal performance of heat exchanger piles in typical Brazilian soil and climate has not been investigated before. Five Thermal Response tests (TRT) were conducted for this research in the Geotechnical research field of the University of São Paulo at São Carlos/SP, Brazil, of unsaturated tropical soil, including a superficial layer composed of colluvial clayey sand (lateritic) overlaying in a residual sandstone soil (saprolitic). Thermal response tests are the most common experimental method for determining thermal properties of the energy foundation systems. The tests were performed on two drilled piles of 12m length equipped with heat transfer pipes, installed a soil layer with average temperature of 24°C. The main objective of this work was to obtain some data about the thermal energy delivery of energy piles in the soil and climate condition investigated herein (high ground temperature, unsaturated and tropical soil with high porosity). The effects of ground water table, flow rate, duration of test, and number of heat exchanger U-pipes on the thermal properties of the energy pile were also evaluated in this study. The thermal parameters obtained allowed a first evaluation about the thermal efficiency of the piles in the particular soil. The results of heat exchange rate found in this study vary from 79 to 110 W/m, therefore energy piles installed in the investigated site show good heat transfer potential. This study provides interesting information to the evaluation of heat exchange efficiency in energy foundations to be used as a cooling system in tropical and subtropical Brazilian regions.

This thesis deals with the increased efficiency of photovoltaic panels (PVs) through cooling the cells by geothermal energy and water heating. Initially, a photovoltaic modeling is made proposing an equation to obtain the maximum power point considering the variations of solar radiation and cell temperature. Initially, it is proposed a PV modeling for obtaining the maximum power point (MPP) as a function of solar radiation and temperature of the cells by the PV 5-parameter model. Thus, the determination of the PV MPP, which depends only on the internal parameters, can be made with greater precision. Water circulation by a pipe that passes through the thermal reservoir is used to cool the PV. This is complemented by cooling hoses buried underground to exchange geothermal avoiding the saturation of the heat exchange between PV and water circulation, increasing the PV efficiency. After studies on the constitution of the soil, the technical characteristics of the tubes for circulating water, hydraulic pump and heat exchanger installed after PV, economic analysis and a set of two PVs were mounted with and without the heat exchangers to verify the gains in power and performance. The experiments were made with two PVs operating in MPP, proving that the MPP and the performance increase with decreasing temperature as the modeling performed. During the experiments, the underground temperature varied slightly, avoiding the heat exchange saturation. The main contributions include the PV modeling to obtain the MPP with a single iteration, the use of geothermal energy without heat pump and residential heat load reduction by use of heated water circulation in PVs. / Esta dissertação trata do aumento da eficiência de painéis fotovoltaicos (PVs) através do esfriamento das células por energia geotérmica e aquecimento de água. Inicialmente, é proposto um equacionamento para obtenção do ponto de máxima potência (MPP) de PVs em função da radiação solar e da temperatura das células, considerando o modelo PV de cinco parâmetros. Assim, a determinação do MPP, que depende somente dos parâmetros internos, pode ser feita com maior precisão. Para esfriar o PV, utilizou-se a circulação de água numa canalização que passa por reservatório térmico. Este esfriamento é complementado por mangueiras enterradas no subsolo para troca de energia geotérmica evitando a saturação da troca de calor entre PV e água de circulação, aumentando a eficiência do PV. Após estudos sobre a constituição do solo, características técnicas dos tubos para a circulação de água, bomba hidráulica e trocadores de calor instalados atrás do PV, foi feita a análise econômica e montagem de um sistema com dois PVs, sendo um deles em conjunto com os trocadores de calor e outro sem para verificar os ganhos de potência e rendimento. Experimentos foram realizados com os dois PVs operando em MPP, onde se comprova que o MPP e o rendimento aumentam com a diminuição da temperatura conforme a modelagem realizada. Durante os experimentos, o subsolo sofreu pouca variação térmica de modo a evitar a saturação da troca de calor. Dentre as principais contribuições destacam-se a modelagem para obtenção do MPP de PVs com uma única iteração, viabilização do uso de energia geotérmica sem bombeamento de calor e redução de carga térmica residencial pelo aproveitamento da água aquecida no PV.

En el país es poco común el uso de energías renovables, por ello es importante que se difundan las tecnologías asociadas al uso de este tipo de recursos. La energía geotérmica superficial es un recurso que se puede aprovechar prácticamente en toda la corteza terrestre, no proporciona una cantidad de energía elevada, pero si tiene aplicaciones que reducen la producción de CO2 (por sistemas de calefacción) y el consumo de energía. En la investigación se analizan los sistemas geotérmicos de baja entalpia, específicamente las cimentaciones termoactivas, las cuales consisten en incorporar el intercambiador de calor en la estructura de la cimentación, esto aunado a la bomba de calor y el sistema de distribución constituye un uso importante de la energía geotérmica somera en los sistemas de calefacción de edificaciones. Para desarrollar las cimentaciones termoactivas es necesario realizar estudios previos tales como, estudio de características geotécnicas y térmicas del suelo, hidrogeología y geología. / The use of renewable energies is rare in the country, so it is important that the technologies associated with the use of this type of resources be disseminated. Surface geothermal energy is a resource that can be used practically throughout the earth's crust, it does not provide a high amount of energy but it does have applications that reduce CO2 production (by heating systems) and energy consumption. The research analyzes low enthalpy geothermal systems, specifically thermoactive foundations, which consist of incorporating the heat exchanger in the foundation structure, this together with the heat pump and the distribution system constitutes an important use of shallow geothermal energy in building heating systems. To develop thermoactive foundations it is necessary to carry out previous studies such as a study of the geotechnical and thermal characteristics of the soil, hydrogeology and geology. / Tesis

This dissertation deals with a comparison between energy consumption of conventional air conditioning and the surface geothermal conditioning for room environments. Studies have been conducted about soil constitution, heat exchangers and specifications of the tubes for water circulation. Based on these studies was the fitting of a conditioning system utilizing surface geothermal energy using a testing room and another one fitted with a conventional window air conditioner in an analog testing room environment. An electronic circuit maintains the temperature in the conventional air-conditioning reference room in similar conditions to the testing room using geothermal conditioning, also monitoring the power consumption in both units for comparative purposes. In this study, it was used the hill-climbing heuristic method to control and manage the best possible heat exchange with the underground, together with a DC converter used to regulate the electrical load of the hydraulic pump and the fan used in the geothermal conditioner. Experiments were performed with and without electronic management, proving so that this electronic control method increases the geothermal conditioner yielding and reduces power consumption. During the geothermal experiments the underground saturation suffered in the late summer period due to seasonal variation of soil temperature in the adopted depth and also because the sizing of the geothermal heat exchanger was below than planned. This fact, however served to demonstrate that this HCC condition does not maximize the thermal exchanges necessary to the proper functioning of the geothermal conditioner, and consequently, having an increase in electric power consumption. Among the major contributions of this dissertation is the development of a methodology for estimation of heat exchange between the basement and the living environment. One can also include how the sizing of the underground hoses and the electronic controller to manage the thermal exchanges between the underground and the conditioned environment. It proved also the feasibility of shallow geothermal energy for conditioning inhabited environments without heat pumps to reduce electricity consumption. / Esta dissertação trata da comparação do consumo de energia elétrica entre o ar condicionado convencional e o condicionamento térmico com a utilização da energia geotérmica superficial. Foram realizados estudos sobre a constituição do solo, dos trocadores de calor e das características técnicas dos tubos para a circulação de água. Baseado nestes estudos foi realizado a montagem de um sistema de condicionamento utilizando a energia geotérmica superficial usando uma sala de testes e outra com a instalação de um ar condicionado convencional de janela num ambiente idêntico à sala de testes. Um circuito eletrônico mantém a temperatura na sala de referência com condicionamento de ar convencional em condições semelhantes a da sala de testes com condicionamento geotérmico, fazendo também o monitoramento do consumo de energia elétrica em ambos os equipamentos para fins comparativos. Neste trabalho, utilizou-se o método heurístico hill climbing control (HCC) para gerenciamento da melhor troca térmica possível com o solo, em conjunto com um conversor de corrente contínua usado para regular a carga elétrica da bomba hidráulica e do ventilador utilizados no condicionador geotérmico. Experimentos foram realizados com e sem o uso do gerenciamento eletrônico, onde se comprova que este método de controle eletrônico aumenta o rendimento do condicionador geotérmico e reduz o seu consumo de energia elétrica. Durante os experimentos o subsolo sofreu saturação no final do período de verão, devido à variação sazonal de temperatura do solo na profundidade adotada e também devido ao dimensionamento do trocador de calor geotérmico ser inferior ao planejado. Este fato, porém serviu para demonstrar que nesta condição o HCC não maximizou as trocas térmicas necessárias para o funcionamento adequado do condicionador geotérmico, e consequentemente, ocorreu um aumento do consumo de energia elétrica. Entre as principais contribuições desta dissertação está o desenvolvimento de uma metodologia para estimação das trocas de calor entre o subsolo e o ambiente habitável. Pode-se incluir também a forma do dimensionamento das mangueiras a serem enterradas no subsolo e o controlador eletrônico para gerenciar as trocas térmicas entre o subsolo e o ambiente condicionado. Provou-se também a viabilização do uso da energia geotérmica superficial para condicionamento de ambientes habitados sem bombas de calor com a finalidade de reduzir o consumo de energia elétrica.

[ES] Debido a la crisis climática, es necesario encontrar fuentes alternativas para la climatización de locales y la producción de agua caliente sanitaria (ACS). Las bombas de calor se presentan como una alternativa excelente para sustituir a las calderas y así poder reducir las emisiones de gases contaminantes. En obra nueva, si se dispone de acceso al terreno o a una masa de agua, las bombas de calor agua-agua o salmuera-agua son altamente recomendadas debido a sus numerosas ventajas. El principal problema que presentan las bombas de calor es el refrigerante que contienen, ya que en la actualidad no existe refrigerante que sea a la vez barato, seguro y con propiedades termodinámicas óptimas. La tendencia en el futuro cercano en bombas de calor utilizadas para la calefacción de locales es volver al uso de refrigerantes naturales como los hidrocarburos y las hidrofluorolefinas. Estos refrigerantes presentan problemas de seguridad debido a su inflamabilidad o toxicidad y es por eso que, en caso de carecer de medidas de seguridad adicionales, la cantidad de refrigerante está limitada. En esta tesis se presenta un trabajo experimental sobre una bomba de calor salmuera-agua trabajando con poca cantidad de R290. La campaña experimental fue pensada para obtener resultados beneficiosos sobre cuál es el actual potencial de este tipo de tecnología tras la limitación de la carga de refrigerante, para desarrollar formas de reducción de carga de refrigerante en los sistemas y para mejorar las simulaciones de predicción de la cantidad necesaria de refrigerante. La campaña experimental está dividida en dos partes, cada una enfocada en uno de los siguientes objetivos: la primera en conocer el actual comportamiento anual de esa bomba de calor y la segunda para desarrollar estrategias de reducción de carga de refrigerante. En cada campaña experimental se almaceno tanto los datos de funcionamiento como la cantidad de refrigerante que había en cada uno de los componentes. La instalación estaba equipada con las herramientas necesarias para la toma de datos durante el funcionamiento de la bomba de calor y también era capaz de sectorizarla asilando cada uno de los componentes para poder extraer y pesar el refrigerante y así conocer que cantidad había en cada zona. Con los datos recogidos, se ha podido observar diferencias entre la predicción de carga de refrigerante en los diferentes componentes y la medida experimentalmente, y también se ha encontrado alguna de las causas de esa discrepancia, pudiendo así corregir el modelo. Para ello, se ha desarrollado un modelo de compresor y al modelo existente de intercambiadores de calor se le ha añadido un volumen muerto de refrigerante. Con estos cambios la predicción ha mejorado notablemente en el modelo utilizado y en la actualidad se puede utilizar para conocer una aproximación del refrigerante necesario. / [CA] A causa de la crisi climàtica, és necessari enden fonts alternatives per a la climatització dels locals i la endencia d'aigua calenta sanitaria (ACS). Les bombes de calor es presenten com una alternativa excel·lent per a substituir a les calderes i així poder reduir les emissions de gasos contaminants. En obra nova, si es disposa d'accés al terreny o a una massa d'aigua, les bombes de calor aigua-aigua o salmorra-aigua són endencia recomanades a causa dels seus nombrosos avantatges. El principal problema que presenten les bombes de calor és el refrigerant que contenen, ja que en l'actualitat no existeix refrigerant que siga alhora barat, segur i amb propietats termodinàmiques òptimes. La tendencia actual en bombes de calor utilitzades per a la calefacció d'espais, és tornar a l'ús de refrigerants naturals com els hidrocarburs i les hidrofluorolefines. Aquests refrigerants presenten problemes de seguretat a causa de la seua inflamabilitat o toxicitat i és per això que, en cas de mancar de mesures de seguretat addicionals, la quantitat de refrigerant està limitada. En aquesta tesi es presenta un treball experimental sobre una bomba de calor salmorra-aigua treballant amb poca quantitat de R290. La campanya experimental va ser pensada per a obtindre resultats beneficiosos sobre quin és l'actual potencial d'aquesta mena de tecnologia després de la limitació de la càrrega de refrigerant, per a desenvolupar formes de reducció de càrrega de refrigerant en els sistemes i per a millorar les simulacions de predicció de la quantitat necessària de refrigerant. La campanya experimental està dividida en dues parts, cadascuna enfocada en un dels següents objectius: la primera a conéixer l'actual comportament anual d'aqueixa bomba de calor i la segona per a desenvolupar estratègies de reducció de càrrega de refrigerant. En cada campanya experimental s'emmagatzeme tant les dades de funcionament com la quantitat de refrigerant que hi havia en cadascun dels components. La instal·lació estava equipada amb les eines necessàries per a la presa de dades durant el funcionament de la bomba de calor i també era capaç de sectoritzar-la asilant cadascun dels components per a poder extraure i pesar el refrigerant i així conéixer que quantitat hi havia en cada zona. Amb les dades recollides, s'ha pogut observar diferències entre la predicció de càrrega de refrigerant i la mesura experimentalment, i també s'ha trobat alguna de les causes d'aqueixa discrepància, podent així corregir el model. Per a això, s'ha desenvolupat un model de compressor i al model existent de bescanviadors de calor se li ha afegit un volum mort de refrigerant. Amb aquests canvis la predicció ha millorat notablement i en l'actualitat es pot utilitzar per a conéixer una aproximació del refrigerant necessari. / [EN] Due to the climate crisis, there is a need to find alternative energy sources for space heating, cooling, and domestic hot water (DHW) production. Heat pumps are an excellent alternative to substitute current boilers to reduce gas emissions. A liquid source heat pump is highly recommended in new buildings with access to land or water due to its significant advantages. The main problem with this technology is that it uses a refrigerant inside, and there is no refrigerant with good performance, cheap and safe to handle. The near future trend in heat pumps used for space heating is to use pure refrigerants such as natural refrigerants and HFOs. These refrigerants (except CO2) have safety issues (flammability or toxicity); consequently, a maximum amount of refrigerant is allowed without considering extra safety measures. This PhD presents an experimental work with a ground source heat pump (GSHP) with a low R290 refrigerant amount. This experimental campaign is helpful to know the current achievable performance derived from the limitation of refrigerant amount, to develop refrigerant charge reduction strategies and to improve existing simulation software based on refrigerant charge prediction. The experimental campaign was divided into two parts to focus separately on normal annual behaviour and refrigerant charge reduction strategies. In each test campaign, performance data was recorded during the test, and the refrigerant charge amount in each component was extracted and weighed after the end of each test. The installation had the tools to acquire data from the vapour compression circuit, isolate the components, and extract and weigh the refrigerant to know how much refrigerant was inside each section. With the data collected, it was observed that the differences in refrigerant charge prediction in the components with the software used were significant, and some causes of these differences have been identified, correcting the prediction model. So, a compressor model has been developed, and a dead volume has been added to the refrigerant charge calculation in heat exchangers. With these changes, the refrigerant prediction has greatly improved in the model used and could be a reliable approximation. / Gracias a la Universitat Politècnica de València por brindarme la financiación y los medios a través del programas “Ayudas para movilidad de estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València” y “Programa de Ayudas de investigación y Desarrollo” (PAID-01-17) / Sánchez-Moreno Giner, L. (2023). Research about Refrigerant Charge in Domestic Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196786

[ES] Uno de los mayores retos para el mercado de bombas de calor geotérmicas es el alto coste asociado a la perforación de los intercambiadores de calor geotérmicos. Conseguir unos intercambiadores de calor geotérmicos más eficientes reduciría dicho coste, ya que sería necesaria una menor longitud de intercambiador para obtener las mismas temperaturas de trabajo en él (misma eficiencia de la bomba de calor). La eficiencia térmica de un intercambiador de calor geotérmico está caracterizada por su resistencia térmica. Dicha resistencia térmica depende de una serie de elementos entre los que se encuentran: propiedades y caudal del fluido que recorre el intercambiador de calor, diámetro de la perforación geotérmica, geometría y materiales de la tubería del intercambiador de calor y las propiedades del material de relleno de la perforación (grouting). Cuanto mayor sea la resistencia térmica del intercambiador de calor, menor será el calor transferido entre el fluido caloportador y el terreno, traduciéndose en una necesidad mayor de longitud de intercambiador enterrado. Por lo tanto, es necesario una reducción de este parámetro al mínimo posible. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en, a partir de un modelo analítico comprensivo de cuantificación del impacto de los parámetros anteriores, realizar un estudio detallado para analizar su influencia combinada en la resistencia térmica del intercambiador geotérmico, pero también examinando dicho efecto en otros planos, como costes económicos de ejecución del intercambiador y de explotación (consumo eléctrico de la bomba de calor y costes de bombeo asociados). / [CA] Un dels majors reptes per al mercat de bombes de calor geotèrmiques és l'alt cost associat a la perforació dels bescanviadors de calor geotèrmics. Aconseguir uns bescanviadors de calor geotèrmics més eficients reduiria aquest cost, ja que seria necessària una menor longitud de bescanviador per a obtenir les mateixes temperatures de treball en ell (mateixa eficiència de la bomba de calor). L'eficiència tèrmica d'un bescanviador de calor geotèrmic està caracteritzada per la seva resistència tèrmica. Aquesta resistència tèrmica depèn d'una sèrie d'elements entre els quals es troben: propietats i cabal del fluid que recorre el bescanviador de calor, diàmetre de la perforació geotèrmica, geometria i materials de la canonada del bescanviador de calor i les propietats del material de farciment de la perforació (grouting). Com més gran sigui la resistència tèrmica del bescanviador de calor, menor serà la calor transferida entre el fluid termòfor i el terreny, traduint-se en una necessitat major de longitud de bescanviador enterrat. Per tant, és necessari una reducció d'aquest paràmetre al mínim possible. En conseqüència, l'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral consisteix en, a partir d'un model analític comprensiu de quantificació de l'impacte dels paràmetres anteriors, realitzar un estudi detallat per a analitzar la seva influència combinada en la resistència tèrmica del bescanviador geotèrmic, però també examinant aquest efecte en altres plans, com a costos econòmics d'execució del bescanviador i d'explotació (consum elèctric de la bomba de calor i costos de bombament). / [EN] One of the biggest challenges for the ground source heat pump market is the high cost associated with drilling geothermal borehole heat exchangers. Achieving more efficient geothermal heat exchangers would reduce this cost, since a shorter exchanger length would be required to obtain the same working temperatures in it (same efficiency of the heat pump). The thermal efficiency of a geothermal heat exchanger is characterized by its borehole thermal resistance. This borehole thermal resistance depends on a number of parameters, mainly: properties and flow rate of the working fluid that flows through the borehole heat exchanger, diameter of the geothermal borehole, geometry and materials of the heat exchanger pipe and the properties of the borehole grouting material. The higher thermal resistance of the heat exchanger, the less heat is transferred between the heat carrier fluid and the ground, resulting in an increased requirement for the length of the buried heat exchanger. Consequently, it is essential to reduce this parameter to the minimum possible. Therefore, the main objective of this Ph. Doctoral Thesis is to carry out, based on a comprehensive analytical model of quantification of the impact of the above mentioned parameters, a detailed study to analyze their combined influence on the thermal resistance of the geothermal borehole, but also exploring this effect in other less researched areas, such as economic costs of running the exchanger and operating it (electricity consumption of the heat pump and associated pumping costs). / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program under grant agreement No [657982], [727583] and [792355]. / Badenes Badenes, B. (2020). Optimización teórico-experimental de sondas de calor para intercambio geotérmico (SGE) según condiciones hidrogeológicas, características geométricas y propiedades de sus materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160477 / TESIS

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