Análisis y simulación energética de instalación combinada de aerotermia y energía fotovoltaica en vivienda

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado tiene el objetivo de realizar un análisis energético de una vivienda unifamiliar, con una instalación energética basada en la combinación de una bomba de calor aerotérmica y paneles solares fotovoltaicos. La aplicación de esta instalación permite cubrir las necesidades de calefacción, refrigeración, y agua caliente sanitaria de una manera eficiente y más sostenible, reduciendo el impacto ambiental; además de cumplir con los objetivos de sostenibilidad y descarbonización impulsados por la normativa europea y española. El presente estudio se ha realizado mediante la simulación energética de un modelo de la vivienda con las herramientas Sketchup, OpenStudio y EnergyPLus. Modelando con precisión la geometría con la primera de ellas, e incorporando las características detalladas de la vivienda en OpenStudio. Incluyendo los materiales constructivos, cargas térmicas internas, sistemas de calefacción y refrigeración e incluso los archivos climáticos que permiten realizar la simulación de un modelo en diferentes localizaciones. Con el modelo definido, EnergyPlus realiza los cálculos de la simulación, teniendo en cuenta todos los factores definidos en la interfaz gráfica de OpenStudio, y lanzando de nuevo los resultados a esta para presentarlos de manera gráfica o tabulada. Para la realización del análisis se han escogido cuatro ciudades españolas, dentro de la península, con características climáticas diferenciadas: Santander, Burgos, Granada y Almería. Esta selección ha permitido evaluar cómo influye el clima en el comportamiento energético de la vivienda y como varía su rendimiento, siendo este más favorable en zonas con elevada insolación y temperaturas moderadas en invierno, como Almería, donde se maximiza el autoconsumo eléctrico y se reduce la demanda de calefacción. Además, se han analizado las pérdidas y ganancias térmicas de la envolvente del edificio, así como la eficiencia estacional del sistema: Comprobando que la integración de ambas tecnologías, la bomba de calor aerotérmica y los paneles solares fotovoltaicos, permite una reducción significativa en el consumo de energía convencional, obteniendo la mayor cobertura en la ciudad de Almería, un 112.09% de la energía consumida, y siendo mayor la producción que el consumo durante todos los meses del año. La segunda localización con mayor producción es Granada, con un 85.92% del consumo, superando únicamente el consumo a la generación en los meses de invierno, de diciembre a febrero. Le sigue Santander, cubriendo el 76.95% de la demanda, aunque sea la localización en la que menos energía fotovoltaica se genera, también es la que menos energía requiere para cubrir demanda de calefacción y refrigeración. Finalmente, se encuentra Burgos, generando el 53.27% de la energía consumida, debido a su elevado consumo de calefacción durante los meses de invierno, el porcentaje de cobertura es el más reducido a pesar de no ser la ciudad en la que menos electricidad se genera. Este trabajo ha permitido concluir que el empleo de herramientas de simulación energética resulta de gran importancia a la hora de diseñar adecuadamente los sistemas térmicos de una vivienda, adaptándolos a cada localización para optimizar su funcionamiento. También se demuestra la viabilidad técnica de este tipo de instalaciones en el sector residencial, señalando el ahorro de energía conseguido y su contribución a la transición energética, marcada por la Unión Europea.

This project aims to carry out an energy analysis of a single-family home equipped with a climate control system based on the combination of an air-to-air heat pump and photovoltaic solar panels. The implementation of this hybrid system allows the house to meet its heating, cooling and, domestic hot water requirements in a more efficient and sustainable way, reducing environmental impact while satisfying European and Spanish regulations on sustainability and decarbonization. The study has been executed through energy simulation of a detailed model of the house, using Sketchup, OpenStudio and EnergyPlus. The building geometry was created in Sketchup, while the building characteristics were added to the model through the OpenStudio application, including construction materials, internal thermal loads, HVAC systems, and weather files, which allow the simulation of the system´s performance in multiple locations. Once the model is completely defined, EnergyPlus performs the simulation calculations, considering all the parameters set previously in the OpenStudio graphic interface, returning afterwards the results to OpenStudio for graphical or tabulated presentation. For this analysis, four Spanish cities with different climate conditions were selected: Santander, Burgos, Granada and Almería. This choice made it possible to establish the influence of weather on the building´s energy behavior and how its systems performance varies with it. Observing that the most favorable results were obtained in warmer and sunnier regions such as Almería, where photovoltaic self-consumption is maximized and heating demand is minimum. In addition, the study analyses the thermal losses and gains through the building envelope, as well as the seasonal system efficiency. The obtained outcome confirms that both technologies working together, the air-to-air heat pump and the photovoltaic panels, achieve a considerable reduction in conventional energy consumption, achieving the highest coverage in Almería, where 112.09% of the energy consumed is self-produced and photovoltaic generation exceeds consumption through every month of the year. The location with the second highest photovoltaic generation is Granada, covering 85.92% of the demand, with consumption surpassing generation only from December to February, the winter months. It is followed by Santander, covering 76.95% of the demand, although it is the location where less energy is produced, it is also where the least energy is consumed. Lastly, Burgos generates only 53.27% of the energy consumed, due to its high heating consumption during the winter months, despite generating more energy than Santander. In conclusion, the use of energy simulation tools is crucial for properly designing and adapting thermal systems according to the specific climate conditions of each location, aiming to optimize their performance. The study also shows the technical viability of this type of installation in the residential sector, highlighting the energy saving achieved and its contribution to the energy transition goals set by the European Union.