Sergio Díaz de Garayo, ingeniero industrial, ha investigado en su tesis doctoral la posibilidad de utilizar la refrigeración termoeléctrica, basada en módulos Peltier, como alternativa al ciclo de compresión en la climatización de edificios de baja demanda energética. En concreto, este ingeniero ha desarrollado una bomba de calor aire-aire capaz de climatizar un apartamento en Pamplona.
La tesis doctoral “Calefacción y climatización termoeléctrica con ventilación de doble flujo en casas pasivas" ha sido codirigida por David Astrain Ulibarrena, catedrático del Departamento de Ingeniería de la UPNA e investigador del instituto ISC, y Álvaro Martínez Echeverri, profesor en el mismo departamento e investigador del ISC, y ha obtenido la calificación de sobresaliente cum laude.
Según explica el autor de la tesis, los edificios van a demandar cada vez menos calefacción, gracias a la mejora de las envolventes, y más refrigeración, debido al cambio climático y la mayor demanda de confort de los usuarios. “Además, la necesidad de descarbonizar nuestra economía va a suponer la sustitución de las calderas de combustibles fósiles por otras alternativas, como la bomba de calor”. Actualmente, la práctica totalidad de las bombas de calor en el mercado utilizan el ciclo de compresión de vapor, cuyo funcionamiento se basa en la circulación de un refrigerante impulsado por un compresor.
“La termoelectricidad tiene grandes ventajas con respecto del ciclo de compresión de vapor, —indica—. Los dispositivos no utilizan refrigerantes ni tienen partes móviles, por lo que no hay vibraciones, ni ruidos. Son sistemas robustos, con poco mantenimiento y fácilmente regulables”. En ese contexto, apunta que “una desventaja, respecto al ciclo de compresión de vapor, es el peor rendimiento, pero este hándicap puede ser compensado por sus virtudes en un escenario de edificios con alta eficiencia energética y producción fotovoltaica en el tejado, de forma que el sistema puede integrarse directamente en corriente continua con la producción y el almacenamiento de electricidad en baterías”.
Los resultados de su tesis doctoral demuestran el potencial de esta tecnología para la climatización de edificios de tipo passivhaus, en los que la demanda de calefacción es inferior a 10 W/m2, combinando la bomba de calor con el recuperador de calor del sistema de ventilación, habitual en este tipo de edificaciones. De la misma manera que la simplicidad del funcionamiento de los módulos fotovoltaicos ha sido finalmente capaz de hacer competitiva esta tecnología con respecto de las turbinas para la producción eléctrica, los módulos Peltier pueden llegar a ser una alternativa a los compresores y el uso de los refrigerantes para la calefacción y refrigeración en determinados ámbitos, como muestran los resultados de su análisis.
Sergio Díaz de Garayo.
Prototipo probado
En su tesis, este investigador ha diseñado, construido y analizado una bomba de calor para climatizar un espacio de hasta 100 m2. La bomba de calor es capaz de acondicionar el espacio a través del caudal de aire de ventilación, integrando el dispositivo con el recuperador de calor.
El prototipo fue ensayado con la ayuda de una cámara climática en los laboratorios de la UPNA en diferentes escenarios de invierno y verano, trabajando con diferentes saltos térmicos, caudales de aire y voltajes de alimentación. “A partir de los resultados obtenidos se desarrolló un modelo computacional rápido y fiable, capaz de representar tanto los efectos termoeléctricos que tienen lugar en los módulos, como la resistencia térmica variable de los intercambiadores de calor en función del caudal de ventilación y el flujo de calor, en diferentes condiciones de funcionamiento”. Esto permitió validar los resultados con los datos experimentales del prototipo y optimizar el diseño con 15 módulos Peltier para diferentes climas.
Finalmente, se llevó a cabo el estudio de un caso piloto en una vivienda de 74.3 m2 en un bloque de apartamentos passivhaus en Pamplona. El sistema de climatización y ventilación propuesto es capaz de mantener unas condiciones estables de confort, tanto en invierno como en verano, gracias al preciso sistema de regulación que permiten los módulos termoeléctricos. La electricidad consumida por este sistema puede ser producida mediante 4 paneles fotovoltaicos de 250 vatios pico (Wp) en el tejado. Este sistema fue después comparado con una bomba de calor de ciclo de compresión de vapor. “El ciclo de compresión de vapor es un 20.9% más eficiente, pero este ahorro puede compensarse fácilmente con la producción de un panel fotovoltaico extra de 250 Wp por vivienda”.
Breve curriculum vitae
Sergio Díaz de Garayo cursó Ingeniería Industrial en la UPV-EHU y, posteriormente, el Máster de Energías Renovables en la Universidad de Zaragoza – CIRCE. Actualmente es director de proyectos de investigación en el Departamento de Energética Edificatoria de CENER (Centro Nacional de Energías Renovables), co-fundador de la Plataforma de Edificación Passivhaus(PEP) y de la start-up inBiot. Asimismo, es director técnico del Proyecto de SMART CITIES (SCC01-H2020 2017) STARDUST y co-lider de la STD del IEA-EBC ANNEX 83 para la definición de los PEDs (Distritos de Energía Positiva, por sus siglas en inglés).