Experimental and numerical research on innovative air-cooling systems based on very high efficiency indirect evaporative cooling equipment

Abstract

Traditional heating, ventilation and air-conditioning, HVAC, systems lead to increased energy consumption for cooling buildings. Given the progressive increase in outdoor temperatures around the world, resilient air-cooling systems are required to satisfy the growing demand for cooling energy, as well as the needs for thermal comfort and indoor air quality with low energy consumption. Conventional air-cooling systems based on direct expansion units are widely used in buildings such as schools. However, these traditional systems exhibit significant limitations in terms of dehumidification capacity and energy efficiency. For these traditional air-cooling systems the improvement of indoor air quality, hence a higher ventilation rate, results in a significant increase in energy consumption, so they are designed to operate at high recirculation rates in many cases, strictly adhering to regulatory requirements. Efficient air-cooling systems based on dew-point indirect evaporative cooling technology could be a potential alternative to conventional air-cooling systems, due to their higher energy efficiency values under higher outdoor air temperatures. The main objective of the present thesis was to evaluate experimentally and numerically the energy performance of a dew-point indirect evaporative cooler, and a novel renewable air-cooling unit based on a desiccant wheel and a dew-point indirect evaporative cooler, in terms of energy performance and environmental impact. Firstly, a conventional air-cooling system based on a direct expansion unit was compared numerically with the dew-point indirect evaporative cooler and the renewable air-cooling unit in terms of thermal comfort, indoor air quality, energy consumption and CO2 emissions. Several energy simulations were carried out for a standard classroom in the Mediterranean area. More suitable values of thermal comfort and indoor air quality with low energy consumption were obtained for the innovative air-cooling systems. On the other hand, the empirical model of the dewpoint indirect evaporative cooler was adjusted according to several experimental tests. In addition, a new calculation method of seasonal energy efficiency ratio for dew-point indirect evaporative coolers was developed. A very low percentage of relative error with respect to the traditional calculation method was obtained. Finally, the novel renewable air-cooling unit based on a desiccant wheel and the dew-point indirect evaporative cooler was experimentally analysed in terms of sensible cooling capacity, latent capacity and coefficient of performance. The control system of the renewable air-cooling unit was designed to independently control the air temperature, air humidity and indoor CO2 level. The empirical model of the renewable air-cooling unit was also adjusted according to an extensive number of laboratory experimental tests. Several annual energy simulations were also performed with this empirical model and different weather conditions to obtain the feasibility of this novel air-cooling unit. The energy performance of both the dew-point indirect evaporative cooler and the renewable air-cooling unit were studied for different climate zones and under the climate change scenario. The dewpoint indirect evaporative cooler demonstrated high feasibility in hot-dry climates, whereas the novel renewable air-cooling unit proved highly viable in hot-humid climates, primarily due to the functioning of the desiccant wheel. The innovative air-cooling systems based on the dew-point indirect evaporative cooling technology achieved higher energy performance values than conventional air-cooling systems. Furthermore, the renewable air-cooling unit allows independent control of air temperature, humidity and ventilation needs.Therefore, the results of this thesis suggest that the proposed two efficiency aircooling systems could be potential alternatives to conventional air-cooling systems for use in buildings in terms of thermal comfort, indoor air quality, energy efficiency and sustainable environment. The two proposed efficient air-cooling systems should be considered for cooling buildings in the global climate change scenario.

Los sistemas tradicionales de calefacción, ventilación y aire acondicionado, HVAC, conllevan un mayor consumo de energía para enfriar los edificios. Dado el progresivo aumento de las temperaturas exteriores en todo el mundo, se necesitan sistemas de enfriamiento por aire resilientes para satisfacer la creciente demanda de energía de refrigeración, así como las necesidades de confort térmico y calidad del aire interior con un bajo consumo energético. Los sistemas convencionales de enfriamiento por aire basados en unidades de expansión directa se utilizan ampliamente en edificios como los colegios. Sin embargo, estos sistemas tradicionales presentan importantes limitaciones en cuanto a capacidad de deshumidificación y eficiencia energética. Para estos sistemas tradicionales de enfriamiento por aire, la mejora de la calidad del aire interior, y por tanto una mayor tasa de ventilación, se traduce en un aumento significativo del consumo de energía, por lo que en muchos casos están diseñados para funcionar con altas tasas de recirculación, cumpliendo estrictamente los requisitos normativos. Los sistemas eficientes de enfriamiento por aire basados en la tecnología de enfriamiento evaporativo indirecto de punto de rocío podrían ser una alternativa potencial a los sistemas convencionales de enfriamiento por aire, debido a sus mayores valores de eficiencia energética bajo temperaturas más elevadas del aire exterior. El objetivo principal de la presente tesis fue evaluar experimental y numéricamente el rendimiento energético de un enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío, y de una novedosa unidad de enfriamiento de aire renovable basada en una rueda desecante y un enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío, en términos de rendimiento energético e impacto ambiental. En primer lugar, se comparó numéricamente un sistema convencional de enfriamiento por aire basado en una unidad de expansión directa con el enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío y la unidad de enfriamiento por aire renovable en términos de confort térmico, calidad del aire interior, consumo energético y emisiones de CO2. Se realizaron varias simulaciones energéticas para un aula estándar de la zona mediterránea. Se obtuvieron valores más adecuados de confort térmico y calidad del aire interior con un bajo consumo energético para los sistemas innovadores de enfriamiento por aire. Por otro lado, se ajustó el modelo experimental del enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío de acuerdo con varias pruebas experimentales y se desarrolló un nuevo método de cálculo del ratio de eficiencia energética estacional para enfriadores evaporativos indirectos de punto de rocío. Se obtuvo un porcentaje de error relativo muy bajo con respecto al método de cálculo tradicional. Por último, se analizó experimentalmente la nueva unidad de enfriamiento por aire renovable basada en una rueda desecante y el enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío, en términos de capacidad de enfriamiento sensible, capacidad latente y coeficiente de rendimiento. El sistema de control de la unidad de enfriamiento por aire renovable se diseñó para controlar de forma independiente la temperatura del aire, la humedad del aire y el nivel de CO2 interior. El modelo empírico de la unidad de refrigeración por aire renovable también se ajustó de acuerdo con un amplio número de pruebas experimentales de laboratorio. También se realizaron varias simulaciones energéticas anuales con este modelo empírico y diferentes condiciones climáticas para obtener la viabilidad de esta novedosa unidad de refrigeración por aire. Se estudió el rendimiento energético tanto del enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío como de la unidad de enfriamiento por aire renovable para diferentes zonas climáticas y bajo el escenario de cambio climático. El enfriador evaporativo indirecto de punto de rocío demostró una gran viabilidad en climas cálidos y secos, mientras que la novedosa unidad de refrigeración por aire renovable resultó muy viable en climas cálidos y húmedos, debido principalmente al funcionamiento de la rueda desecante. Los innovadores sistemas de enfriamiento por aire basados en la tecnología de enfriamiento evaporativo indirecto de punto de rocío alcanzaron valores de rendimiento energético superiores a los de los sistemas de enfriamiento por aire convencionales. Además, la unidad de enfriamiento por aire renovable permite un control independiente de la temperatura del aire, la humedad y las necesidades de ventilación. Por lo tanto, los resultados de esta tesis sugieren que los dos sistemas de enfriamiento por aire eficientes propuestos podrían ser alternativas potenciales a los sistemas de enfriamiento por aire convencionales para su uso en edificios en términos de confort térmico, calidad del aire interior, eficiencia energética y medio ambiente sostenible. Ambos sistemas eficientes de enfriamiento por aire deberían tenerse en cuenta para la refrigeración de edificios en el escenario del cambio climático global.