Estudio energético comparativo de sistemas de climatización para vehículos mediante sistemas de compresión mecánica de vapor y sistemas de enfriamiento evaporativo indirecto

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Máster tiene como objetivo realizar un estudio energético comparativo entre los sistemas de compresión mecánica de vapor (HX) que se han empleado de forma tradicional en los sistemas de aire acondicionado de vehículos y los sistemas de enfriamiento evaporativo indirecto (IEC). La base de este estudio radica en la necesidad actual de realizar un cambio en las tecnologías que han sido empleadas durante largos periodos de tiempo por otras que empleen un consumo más eficiente de la energía, además de tener un menor impacto en el medio ambiente disminuyendo y ralentizando el desarrollo del cambio climático. También es necesario buscar alternativas viables y eficaces que posibiliten establecer el confort térmico de individuos en el interior de vehículos de uso utilitario. El principal problema de los vehículos de tecnología eléctrica es su autonomía, que se ve mermada por el uso del aire acondicionado, estos equipos son el segundo elemento que presentan un mayor consumo de energía por detrás del motor. Este estudio requiere del desarrollo de un modelo de transferencia de calor del vehículo que permita estimar las cargas térmicas que aparecen en el habitáculo con un uso normal. Obtenidas a través del método de balance térmico donde se ven involucradas variables como la geometría del vehículo, las características y propiedades de sus superficies, la ubicación seleccionada para el estudio y el intervalo horario considerado para la simulación. El comportamiento de los sistemas HX e IEC es definido a través de modelos matemáticos hallados mediante una regresión lineal con términos cruzados, basados en ensayos de laboratorio realizados en la Universidad de Córdoba. Los resultados del estudio muestran que, para las condiciones climáticas de la ciudad de Córdoba y el intervalo horario seleccionado, el sistema de enfriamiento evaporativo indirecto es una alternativa viable y eficaz a los sistemas de compresión mecánica de vapor. La temperatura de la ciudad seleccionada se sitúa entre 37,4ºC y 38,9ºC, mientras que la humedad relativa comprendida está comprendida entre el 26,08% y el 23,37%. El consumo energético del sistema IEC es un 96% inferior al que presenta el sistema HX para una misma potencia sensible que permite disminuir y mantener la temperatura interna del vehículo entre unos valores de consigna establecidos como temperatura de confort térmica de las personas. De igual forma, el factor de rendimiento energético (EER) y el factor de rendimiento energético estacional (SEER) del sistema IEC son muy superiores. Lo que muestra un uso más eficiente de la energía eléctrica (el consumo energético del sistema IEC se sitúa entre los 200W y 300W, mientras que el sistema HX alcanza los 6kW). Además, el impacto total equivalente sobre el calentamiento atmosférico del sistema HX es más de 26 veces superior al del sistema IEC, con un valor de 9,97 toneladas de CO2 equivalente (asociadas al impacto directo e indirecto en el medio ambiente). En cuanto al volumen de instalación que ocupan los equipos, el sistema IEC requiere de un 63% menos. Presentando una mayor compacidad para la producción de la misma potencia sensible.

The present Master's Thesis aims to conduct a comparative energy study between traditional vapor compression systems (HX) used in vehicle air conditioning systems and indirect evaporative cooling systems (IEC). This study is grounded in the current need to change the technologies that have been used for long periods of time for others that use more efficient energy consumption, as well as having a lower impact on the environment by reducing and slowing down the development of climate change. Additionally, it seeks viable and effective alternatives to ensure thermal comfort within utility vehicles. A key concern with electric vehicles is their limited range, exacerbated by air conditioning usage, which ranks second in energy consumption after the engine. The study requires the development of a vehicle heat transfer model to estimate the thermal loads that appear in the passenger compartment under normal use. Obtained through the heat balance method, which involves variables such as the vehicle geometry, the characteristics and properties of its surfaces, the location selected for the study and the time interval considered for the simulation. The performance of the HX and IEC systems is defined through mathematical models found by linear regression with cross terms, based on laboratory tests carried out at the University of Cordoba. Results indicate that, for the given climatic conditions of the city of Cordoba and the selected time range, the indirect evaporative cooling system is a viable and effective alternative to mechanical vapour compression systems. The temperatures of the location used are between 37.4ºC and 38.9°C with a relative humidity between 26.08% and 23.37%. The energy consumption of the IEC system is 96% lower than that of the HX system for the same sensible power, which allows the internal temperature of the vehicle to be lowered and maintained between setpoint values established as the thermal comfort temperature for people. Similarly, the energy efficiency ratio (EER) and seasonal energy efficiency ratio (SEER) of the IEC system are much higher. This shows a more efficient use of electrical energy (the energy consumption of the IEC system is between 200W and 300W, while the HX system reaches 6kW). Furthermore, the total equivalent global warming impact from HX systems is over 26 times greater than IEC, with an associated CO2 equivalent of 9.97 tons (including direct and indirect environmental impacts). In terms of installation volume, IEC systems require 63% less space, offering greater compactness for the production of the same sensible heat.