Optimización y control de sistemas de refrigeración mediante sistemas de almacenamiento con material de cambio de fase

Resumen

La demanda de energía asociada a los sistemas de refrigeración se ha convertido en un pilar esencial en la estructura energética. Ya sea en la industria como en el ámbito doméstico, la generación de frío es una herramienta extendida mundialmente, habiendo en la literatura muchos estudios que detallan su impacto económico y medioambiental. Dado este impacto nuevos métodos y mejoras en la generación y conservación del frío se han desarrollado: materiales, diseño, tecnología, etc. Dentro de estas mejoras, se encuentra el uso de sistemas de almacenamiento de energía térmica. Esta Tesis, de carácter teórico-práctico, aborda la operación óptima de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que incorpora un sistema de almacenamiento de energía. Se hace especial énfasis en el sistema de almacenamiento, aunque el resto de elementos del sistema también se tratan. Entre los objetivos de mayor naturaleza teórica se encuentran: el modelado del sistema de almacenamiento, el diseño de una estrategia de control y la optimización. Respecto a la parte práctica, se aborda el diseño y construcción del sistema de almacenamiento y la validación, en la medida de lo posible, del desarrollo teórico. En primer lugar, se exponen los modelos de los elementos del sistema, siendo desarrollado en detalle el del sistema de almacenamiento. Se diseña un simulador del sistema completo que cuenta entre sus salidas con tres potencias frigoríficas: potencia transferida en el evaporador, potencia de carga del almacenamiento y potencia de descarga del almacenamiento. Se estudia el comportamiento del sistema y se define el diseño y las magnitudes del sistema de almacenamiento para su fabricación. En segundo lugar, se plantea una estrategia de control adecuada para el control de las potencias. Objetivos de eficiencia energética se incluyen en dicha estrategia, de forma que, para una demanda factible para cada una de las potencias, esta se alcancen con el menor consumo de trabajo externo posible. En tercer lugar, se diseña un sistema de gestión cuya tarea es calcular las referencias para las tres potencias, de manera que, para un perfil temporal de demanda de potencia útil –definida como la suma de la potencia del evaporador y la potencia de descarga del almacenamiento– se cumpla la demanda. Además se añaden condiciones para maximizar el rendimiento económico, ya que se considera conocido el perfil temporal del coste de generación de las potencias. Finalmente, se cuenta con una planta experimental de refrigeración por compresión de vapor, situada en los laboratorios del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Sevilla, a la que se le ha añadido el sistema de almacenamiento diseñado. Se prueban y evalúan sobre esta planta, en la medida de lo posible, los resultados teóricos.