Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Haritz Alberdi Lizaso, Investigador, Tecnalia Research & Innovation
- Iñigo Urra Mardaras, Investigador, Tecnalia Research & Innovation
Resumen
El objetivo de este documento es presentar los aspectos del diseño y describir brevemente la primera caracterización del intercambiador aire-aire adaptado a fachadas ventiladas diseñado por Tecnalia Research & Innovation dentro del proyecto E2VENT. Este intercambiador está diseñado como parte de un módulo de renovación adaptable para el acondicionamiento de edificios residenciales de los años 60 y 70 en toda Europa que integra el intercambiador de calor y un sistema de almacenamiento de energía basado en materiales de cambio de fase. Esta unidad de recuperación de calor se ajustará para integrarse en la cavidad de fachada ventilada y será capaz de recuperar el calor del aire de ventilación, el precalentar el aire de ventilación en invierno y pre-enfriar en verano resolviendo el problema de las renovaciones de aire en edificios rehabilitados. En este documento se presentan los rendimientos obtenidos por el primer prototipo y se muestra el segundo prototipo rediseñado tras un profundo análisis de los resultados obtenidos del primero.
Palabras clave
Fachada Ventilada, Renovación de Aire, Calidad de Aire, Intercambiadores Compactos, Platos OSF
Introducción
La renovación del aire garantiza la calidad del aire interior y previene a los ocupantes de problemas de salud. En el caso de los edificios existentes, la baja hermeticidad al aire permite la ventilación natural a través de las fachadas, pero cuando un edificio es rehabilitado, las pérdidas de calor a través de la fachada se ven limitadas por la adición de una capa de aislamiento (interno o externo) y normalmente se cambian las ventanas. Estos aspectos de la renovación tienen impacto sobre la estanqueidad al aire del edificio y las fugas a través de las fachadas se ven muy limitadas y, por tanto, al aumentar la estanqueidad del aire, hace que la renovación natural de aire sea inferior y, por lo tanto, la calidad del aire en interiores puede reducirse drásticamente.
El proyecto E2VENT da respuesta a esta situación, incluyendo un sistema de renovación mecánica adaptado para una fachada ventilada. TECNALIA RESEARCH & INNOVATION ha desarrollado un intercambiador aire-aire, denominado Smart Modular Heat Recovery Unit (SMHRU), que permite la renovación de parte del aire del edificio rehabilitado sin añadir pérdidas de energía asociadas.
Tras analizar el rendimiento de un primer prototipo en las instalaciones de la empresa, un segundo ha sido elaborado con el objetivo de mejorar sus prestaciones y características funcionales.
El Proyecto
El proyecto E2VENT está financiado por la Comisión Europea bajo el Tópico de Energía de Horizon 2020 para la investigación y el desarrollo tecnológico. El objetivo del proyecto es desarrollar, demostrar y validar una aproximación sistemática, de bajo coste, muy eficiente en energía, de bajo consumo de CO2, replicable y poco intrusiva para la rehabilitación de edificios residenciales y comerciales, capaz de alcanzar altos niveles de ahorro energético a través de la integración de un sistema innovador de fachada ventilada adaptable.
El sistema E2VENT es una solución de rehabilitación térmica externa con recubrimiento externo y cavidad de aire que une diferentes tecnologías punteras que garantizarán una alta eficiencia incluyendo:
- Una Unidad de Recuperación de Calor Modular e Inteligente (SMHRU).
- Un Almacenamiento de Energía de Calor Térmico Latente (LHTES).
- Un gestor inteligente que controla el sistema en tiempo real teniendo como objetivo funcionamientos óptimos.
- Un sistema eficiente de anclaje que limita los puentes térmicos y permite una instalación sencilla y robusta.
Metodología
Se pueden encontrar sistemas de recuperación de calor aire-aire de diferentes tipos, tamaños y configuraciones. Como el SMHRU debe de entrar dentro del módulo E2VENT y este va instalado en la cavidad entre la pared y el revestimiento, el diseño ha de ser lo más compacto posible. Por esa razón, la configuración más favorable ha sido la de diseñar un intercambiador con fin-plates dado que se caracterizan por su alta eficacia, compacidad, bajo peso y coste moderado.
Para la confección del SMHRU se han seleccionado los platos OSF (Offset Strip Plates). Estos platos son utilizados en gran variedad de procesos industriales ya que se considera que tienen una de las mejores geometrías de transferencia de calor relativamente al factor de fricción. Las características de los platos seleccionados se presentan a continuación:
Tipo de aleta: 1/8 Lanced OSF:
Longitud de lanza: 3.175mm.
Material: Aluminio 3003.
Dimensiones generales de aleta:
Espesor de material: 0.304mm.
Altura de aleta: 12.49mm.
Aletas por pulgada: 8.
Dimensiones generales de platos:
Longitud de caudal: 250mm.
Corte: 350mm.
Se hizo un primer modelado termodinámico del prototipo utilizando el programa EES con el fin de definir la configuración del primer prototipo. Para este modelado de adoptaron unas supuestos:
- Las condiciones de trabajo están en estado estacionario, lo que significa que las variaciones de las condiciones de funcionamiento no son consideradas.
- El factor de ensuciamiento no es considerado en el modelado termal ya que convencionalmente es insignificante en las aplicaciones de gas-gas.
- El coeficiente de transferencia de calor se supone uniforme en todo el intercambiador.
Los resultados de la simulación en la Figura 2 muestran que la eficiencia aumenta con la longitud de las dos placas instaladas a contracorriente. El SMHRU logra una eficiencia entre el 70 y el 87% para las longitudes de entre 500 y 1.500 mm cuando un caudal nominal al 45 m3.h-1 es considerado. Para una longitud de 1.000mm se consigue una eficiencia mayor al 80%. Una longitud mayor no supone una gran diferencia en cuanto a eficiencia.
Set-Up experimental
El laboratorio construido, mostrado el esquema en la Figura 3, opera en modo continuo y se testó el SMHRU a la temperatura y el caudal deseado. Se compone de dos cámaras climáticas donde los requisitos de temperatura de entrada se obtienen mediante resistencias eléctricas en el caso del circuito caliente y se instaló un sistema de aire acondicionado para el circuito frio del SMHRU. Se pueden obtener temperaturas de hasta 50°C y -10°C. Para una correcta circulación y homogeneidad en las temperaturas del aire, se instalaron dos ventiladores en cada una de las cámaras.
Resultados
Las siguientes ecuaciones y parámetros se utilizan para evaluar el rendimiento del SMHRU. La eficiencia del SMHRU se calcula a partir de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de una de las corrientes y la diferencia de temperatura máxima. Cuando se considera un flujo constante e igual en las dos corrientes, la eficiencia global puede calcularse mediante la ecuación (1):
La capacidad de transferencia de calor en el SMHRU puede calcularse teniendo en cuenta los caudales de entrada en cada circuito y las temperaturas de entrada y salida. La siguiente tabla resume las condiciones de prueba y los resultados, es decir, temperatura de salida, eficiencia y capacidad de las corrientes frías y calientes, obtenidas a partir de las mediciones.
Véase esquema del banco de ensayos en la siguiente figura.
Estos primeros ensayos mostraron que el aumento del flujo de entrada disminuye la eficiencia del SMHRU aunque mantiene la distribución de aire aceptablemente. La capacidad de transferencia de calor aumentó de 16.56 a 66,89 W, en el caso de la corriente caliente y de 18,63 a 97.86 W para la frío.
Tras el análisis realizado en el laboratorio se comprobó que el rendimiento obtenido con el modelo estaba en concordancia con los resultados obtenidos en los tests. Se puede comprobar en la siguiente ilustración:
Figura 4. Capacidad y eficiencias del SMHRU con diferentes caudales. Comparación del modelo EES y rendimiento del prototipo.
Las conclusiones obtenidas del análisis realizado con el primer prototipo han servido para diseñar un nuevo prototipo que ha sido fabricado en Grecia por la empresa ELVAL COLOUR tras un rediseño elaborado por el Área de Eficiencia Energética y Sostenibilidad de Tecnalia Research & Innovation. Dicho nuevo prototipo ha sido modificado con un nuevo distribuidor y unos ventiladores capaces de dar mayores caudales que los instalados en el primero. Los detalles y diferencias entre el primer prototipo y el segundo se ven en la siguiente figura.
Conclusiones
Los primeros resultados experimentales mostraron que el rendimiento obtenido basándose en las mediciones del prototipo se asemejó al rendimiento esperado con el modelo. Tras un profundo análisis se vio que, al aumentar el caudal, el rendimiento bajaba considerablemente debido, sobre todo, por la incorrecta distribución del aire en el interior de la unidad. A su vez, se determinó que un cambio de los ventiladores era totalmente necesario debido al bajo rendimiento obtenido por los instalados a primera instancia. En el segundo prototipo, se ha rediseñado por completo el distribuidor y se han instalado unos nuevos ventiladores capaces de dar caudales superiores a 60 m3.h-1. Nuevos ensayos van ser realizados en los meses venideros con el objetivo de analizar el rendimiento del nuevo prototipo.
Referencias
- Robfin (7 de Julio 2015)