Experimental and numerical study on hybrid HVAC systems activated at low temperature based on desiccant wheels and indirect evaporative coolers

Abstract

El tratamiento de aire en edificios con altas cargas latentes habitualmente requiere un alto coste energético para satisfacer las necesidades de confort térmico de los usuarios. Piscinas climatizadas o spas son algunos ejemplos de este tipo de edificios, los cuales tienen altas ganancias latentes internas, debido a la gran cantidad de agua evaporada en las áreas húmedas. Excesiva humedad del aire podría causar disconfort para los ocupantes y problemas relacionados a la calidad del aire interior de los edificios, debido a hongos y podredumbre. Los sistemas de climatización convencionales, basados en unidades de expansión directa, son ampliamente usados en la deshumectación del aire. Sin embargo, los sistemas de climatización convencionales presentan algunas limitaciones en el tratamiento combinado de las cargas sensibles y latentes. Estos sistemas usualmente solo controlan las cargas sensibles, temperatura del aire, o las cargas latentes, humedad del aire, pero no ambas cargas. Además, los caudales de aire de impulsión requeridos por los sistemas de climatización convencionales a veces son muy altos, con el fin de obtener altas capacidades desecantes. Excesivo caudal de aire también puede causar disconfort a los ocupantes. Los sistemas de climatización híbridos compuestos de ruedas desecantes y enfriadores evaporadores indirectos podrían ser una alternativa a los sistemas convencionales, debido a su alta capacidad desecante y de enfriamiento, respectivamente. El objetivo principal de esta tesis fue analizar experimentalmente y numéricamente el rendimiento de un novedoso sistema de climatización híbrido activado a baja temperatura y basado en ruedas desecantes y enfriadores evaporativos indirectos, para su uso en pequeños edificios con altas cargas latentes. En primer lugar, se analizaron experimentalmente una rueda desecante y un enfriador evaporativo indirecto, donde se obtuvieron las variables influyentes sobre los dispositivos fueron obtenidas y diversos modelos simplificados empíricos fueron ajustados. A continuación, se desarrolló una estrategia de control del calor sensible y latente, con el objetivo de controlar independientemente la temperatura y humedad del aire de impulsión. Un desacoplamiento de la temperatura y humedad del aire de impulsión pudo ser obtenido cuando el caudal del aire de proceso y la temperatura del aire de regeneración en la rueda desecante, y el caudal de agua en el enfriador evaporativo indirecto fueron variados. Finalmente, se analizó un novedoso sistema de climatización híbrido activado a baja temperatura y basado en ruedas desecantes y enfriadores evaporativos indirectos, y se comparó con un sistema de climatización convencional. Ambos sistemas de climatización fueron diseñados para servir aire en un pequeño edificio con altas cargas latentes, tales como spas. Se realizaron diversas simulaciones energéticas anuales para diferentes condiciones climáticas, las cuales estuvieron basadas en los modelos simplificados experimentales de la rueda desecante y el enfriador evaporativo indirecto., analizando la eficiencia energética de cada sistema de climatización. El sistema de climatización híbrido alcanzó mayor eficiencia energética que el sistema de climatización convencional cuando ambos sistemas servían aire a un pequeño edificio con altas cargas latentes, independientemente de las condiciones climáticas. Además, el sistema de climatización híbrido controló adecuadamente las cargas sensibles y latentes del edificio, usando reducidos caudales de aire de impulsión. Por lo tanto, esos resultados sugieren que el sistema de climatización híbrido podría ser una seria alternativa a los sistemas de climatización convencional para tratar aire en pequeños edificios con altas cargas latentes y donde reducidos caudales de aire de impulsión son requeridos.

Air handling in buildings with high latent loads usually requires a high-energy cost to satisfy the user’s thermal comfort needs. Indoor swimming pools or spas are some examples of this type of buildings, which have high internal latent gains, due to the great amount of evaporated water from the wet areas. Excessive air humidity can cause discomfort for the occupants and problems related to the indoor air quality of the building due to fungus and rot. Conventional HVAC systems based on direct expansion units are widely used in dehumidifying air. However, conventional HVAC systems present some limitations in the combined treatment of sensible and latent loads. These systems usually only control sensible loads, air temperature, or latent loads, air humidity, but not both loads. Moreover, the supply air flow rates required by conventional HVAC systems are sometimes very high, in order to obtain high desiccant capacities. Excessive air flow rate can also cause discomfort to the occupants. Hybrid HVAC systems composed of desiccant wheels and indirect evaporative coolers could be an alternative to conventional HVAC systems, due to their high desiccant and cooling capacity, respectively. The main objective of this thesis was to analyse experimentally and numerically the performance of a novel hybrid HVAC system activated at low temperature based on desiccant wheels and indirect evaporative coolers for use in small buildings with high latent load. Firstly, a desiccant wheel and an indirect evaporative cooler were analysed experimentally, where the influence input variables on the devices were obtained and several empirical simplified models were fitted. Then, a sensible and latent heat control strategy was developed in order to independently control the supply air temperature and humidity ratio. A decoupling of the supply air temperature and humidity ratio can be obtained when the process air flow rate and air regeneration temperature in the desiccant wheel, and the water flow rate in the indirect evaporative cooler were varied. Finally, a novel hybrid HVAC system activated at low temperature based on desiccant wheels and indirect evaporative coolers was analysed and compared to a conventional HVAC system. Both HVAC systems were designed to serve air in a small building with high latent loads, such as spas. Several annual energy simulations for different climatic conditions were performed, which were based on the experimentally simplified models of the desiccant wheel and the indirect evaporative cooler, analysing energy efficiency of each HVAC system. The hybrid HVAC system achieved higher energy efficiency than the conventional HVAC system when both HVAC systems served air to a small building with high latent loads, regardless of the climatic conditions. Furthermore, the hybrid HVAC system suitably controlled the sensible and latent loads of the building, using reduced supply air flow rates. Therefore, these results suggest that the proposed hybrid HVAC system could be a serious alternative to conventional HVAC systems to handle air in small buildings with high latent loads and where reduced supply air flow rates are required.