Análisis energético de una piscina climatizada asistida con energías renovables, mediante su modelado dinámico, para una mejor integración de la energía solar térmica y la biomasa

Abstract

[SPA] Las piscinas cubiertas climatizadas constituyen equipamientos deportivos con una muy elevada demanda energética. Sin embargo, el conocimiento existente hasta el momento sobre sus necesidades energéticas no ofrece una información lo suficientemente fiable para llevar a cabo el correcto diseño de sus instalaciones térmicas. Este trabajo se basa en la necesidad de un conocimiento más profundo de los mecanismos que generan esta demanda para conseguir predecirla de una manera más ajustada a la realidad y poder mejorar la eficiencia de sus instalaciones térmicas. El objetivo de este trabajo es definir y validar un nuevo modelo desarrollado específicamente para caracterizar con la suficiente precisión el comportamiento energético dinámico del vaso de una piscina climatizada. El trabajo también contiene un análisis más profundo de las variables que mayor influencia tienen sobre la demanda energética, así como la propuesta de un modelo de control predictivo que mejoraría la integración de dos fuentes de energía renovables como son la solar térmica y la biomasa. Para ello, se han desarrollado las siguientes tareas: • Análisis del marco regulatorio regional, nacional e internacional. • Análisis del estado del arte para la estimación de cargas térmicas en el vaso de una piscina climatizada. • Definición de un modelo de simulación dinámica del comportamiento del vaso de una piscina climatizada. • Validación del modelo de simulación, para lo que se han instrumentado completamente las instalaciones de la piscina municipal de Archena y se han utilizado datos de consumo recogidos de otras cuatro piscinas del municipio de Murcia. • Estudio de sensibilidad para conocer la importancia de los parámetros clave de funcionamiento en el consumo energético global de la piscina. • Propuesta de control predictivo con el fin de reducir el consumo de la caldera mediante un mejor aprovechamiento de la energía solar térmica. Los trabajos de simulación dinámica se han llevado a cabo utilizando el programa de simulación de estados transitorios TRNSYS (versión 17). Para la validación del modelo se ha sensorizado completamente una piscina real, de piscina municipal de Archena, en la Región de Murcia. Esto ha sido posible gracias al convenio de colaboración suscrito entre el Ayuntamiento de Archena y la Universidad Politécnica de Cartagena a tal fin. El modelo, una vez validado, demuestra la utilidad de las herramientas de simulación dinámica para el análisis y mejora de instalaciones térmicas complejas. Dicho modelo supone un método preciso para la estimación de la demanda térmica del vaso de una piscina climatizada con un error relativo global frente al caso real del -1,77%, estando en todo momento por debajo del 10%. Finalmente, gracias al modelo se han podido detectar ciertas ineficiencias en el comportamiento energético de piscinas climatizadas que dispongan de instalaciones térmicas basadas en solar más caldera (eventualmente de biomasa). Con el fin de mejorar la eficiencia energética a través de una mejor integración de ambas fuentes, se ha desarrollado un modelo de control predictivo pasado en la tecnología Early Swich-Off (ESO) o aparado anticipado de la caldera. El nuevo control propuesto se ha podido ajustar y probar de igual forma mediante la simulación dinámica del vaso de la piscina. Los resultados ofrecen una reducción de la demanda del vaso del 18,76% utilizando un 42,64% menos de combustible, en comparación con la utilización de un control PID convencional. En consecuencia, las soluciones propuestas en este trabajo suponen un avance en el conocimiento que permitiría mejorar la eficiencia energética de estas instalaciones tan consumidoras de energía, reduciendo el riesgo económico y financiero derivado de su explotación.

[ENG] Indoor swimming pools are high energy demand facilities. Present knowledge about their energy demand does not result reliable information for a correct design of their thermal installation. A deeper knowledge about actual energy needs of these installations is then necessary to improve its efficiency. The objective of this work is to define and validate a new and specific model for the characterisation of indoor swimming pool energy dynamic behaviour with enough accuracy. To do so, a module including evaporation heat losses calculation is proposed and integrated as a new defined component in TRNSYS software for a dynamic simulation of the problem, for the shake of more accurate results. The work also includes deeper analysis of the key parameters relative to its energy demand, as well as a new proposed predictive control to improve the integration between two renewable energy sources such as thermal solar and biomass. For this, the following tasks have been developed: • • Analysis of the regulatory framework at reginal, national and international level. • • Analysis of the state of the art related the estimation of thermal loads in indoor swimming pools. • • Development of a dynamic simulation model to study the energy behaviour of an indoor swimming pool. • • Validation of the proposed model, for which thermal installations of Archena municipality’s swimming pool have been entirely monitored. • • Sensitivity analysis to know the importance of pool’s key parameters in its energy behaviour. • • Predictive control proposed to reduce fuel consumption by a better exploitation of the solar thermal installation.

For validating the model, a two-stage procedure has been implemented. Firstly, a full monitoring system has been performed at a public indoor swimming pool in the municipality of Archena, Spain. This has been possible thanks to a specific agreement signed between the Municipality of Archena and the Polytechnic University of Cartagena. Secondly, data from other four swimming pools have been also used to confirm the good behaviour of the model. The work carried out validates the model and demonstrates the usefulness of dynamic modelling tools to solve complex thermal situations like the case of heating demand of an indoor swimming pool. The proposed model results in an accurate method to estimate heating demand, being relative difference limited (always less than 10% and mean error of -1.77%). The new dynamic simulation model has been finally used for a sensitivity analysis of the energy demand in relation with the main control parameters of the facility, recommending set points for a more efficient work of these facilities. Finally, thanks to this work, energy inefficiencies in indoor swimming pools using hybridised solar+boiler systems (eventually biomass-fired) for thermal supply have been detected. To improve the energy efficiency in these cases, a new module performing a Model Predictive Control (MPC) based on an Early Switch-Off (ESO) strategy has been developed. The proposed control has been adjusted by using a dynamic simulation process in TRNSYS, implemented over the public indoor swimming pool in the municipality of Archena, Spain. Results indicate that ESO predictive controls can reduce a swimming pool’s energy demand by 18.76% using 42.64% less fuel compared to a Proportional Integral Derivative (PID) conventional control, while keeping the pool’s thermal conditions in line with national and international swimming standards. Thus, the solutions proposed in this work offer a knowledge advance to improve the energy efficiency in thermal installations of indoor swimming pools reducing their financial risk.