ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DEL COMPORTAMIENTO DE PANELES EVAPORATIVOS EMPLEADOS EN SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE
Pedro Martínez Martínez

El consumo energético en el sector de la edificación representa un 32% del consumo total mundial de energía, según la Agencia Internacional de la Energía, lo que supone que este sector sea actualmente el mayor consumidor final de energía. La directiva 2010/31/EU sobre el rendimiento energético de los edificios y la directiva 2012/27/EU sobre eficiencia energética ponen de manifiesto que el 40% del consumo total de energía en la Unión Europea corresponde a los edificios y que este es un sector que se encuentra en fase de expansión, con una previsión de aumento en su consumo de energía. Debido a esta situación, las últimas directrices que marca la Unión Europea en política energética impulsan el establecimiento de medidas de ahorro y de mejora de la eficiencia energética en los edificios.
 
Una forma de reducir el consumo energético y mejorar la eficiencia de los sistemas de climatización que utilizan condensación por aire es mediante el empleo de técnicas de preenfriamiento, utilizando paneles evaporativos, en la corriente de aire de entrada al condensador. Una reducción de la temperatura de condensación implica un ahorro energético en el sistema de climatización, puesto que esta temperatura determina en gran medida la eficiencia del ciclo termodinámico frigorífico. Una disminución de la temperatura de condensación produce una reducción de la relación de presiones del refrigerante entre las que trabaja el compresor, el principal consumidor de energía de este tipo de instalaciones, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del ciclo y en un ahorro energético en el funcionamiento global del sistema de climatización. 
 
El trabajo de investigación desarrollado en esta tesis aborda, en una primera línea de investigación, la modelización de este proceso de preenfriamiento a través del estudio experimental del comportamiento térmico y fluidodinámico de un nuevo tipo de panel evaporativo de entramado plástico, fabricado con polietileno de alta densidad. A través del estudio realizado se ha caracterizado el comportamiento de este tipo de panel, cuantificando sus propiedades más relevantes: eficiencia de saturación, pérdida de presión, variaciones de temperatura y humedad del aire a su paso y caudal de agua evaporada. Con una metodología de estudio y ensayos similar a la empleada por otros autores, este trabajo se distingue por investigar un nuevo tipo de panel evaporativo tanto desde un punto de vista energético como también exergético.
 
Los resultados del estudio muestran que este tipo de paneles pueden alcanzar un valor máximo de eficiencia de saturación de 80,5%, cuando se emplea un espesor de panel de 250 mm y una velocidad de la corriente de aire inferior a 0,5 m/s. Por otra parte, los paneles producen una caída de presión máxima de 17 Pa en la corriente de aire, cuando el espesor del panel es 250 mm y la velocidad del aire es 1,95 m/s. Para el resto de condiciones de funcionamiento de los paneles, se han obtenido correlaciones que modelizan la eficiencia de saturación y la pérdida de presión, en función de las variables experimentales:  velocidad del aire, espesor del panel y caudal de agua distribuida. El estudio exergético del proceso de preenfriamiento evaporativo ha aportado la definición de una nueva eficiencia exergética que podría utilizarse para dimensionar los paneles y seleccionar la velocidad óptima del aire para su correcto funcionamiento.
 
En una segunda línea de investigación, esta tesis presenta un estudio preliminar de caracterización y evaluación de una técnica de preenfriamiento alternativa al uso de paneles evaporativos, que pretende evitar alguno de sus inconvenientes principales, como son la pérdida de presión que los paneles ocasionan en la corriente de aire y los problemas de mantenimiento originados por el envejecimiento de los mismos. En este estudio se realiza la caracterización de un generador de agua nebulizada mediante ultrasonidos y la valoración de su utilización como sistema de preenfriamiento evaporativo en sistemas de acondicionamiento de aire. El estudio se desarrolla sobre un prototipo de nebulización ultrasónico, diseñado y construido a tal efecto, y del que ha sido necesario caracterizar experimentalmente su capacidad de producción de agua nebulizada y la distribución de los tamaños de gotas generadas. Se trata de una línea de investigación multidisciplinar de la que no se han encontrado referencias previas en la literatura, que incluye balances energéticos, evaluación del rendimiento térmico, determinación de patrones de flujo fluidodinámico y estudio de las condiciones de generación de agua nebulizada mediante transductores electrónicos de ultrasonidos
 
Para evaluar las características y la capacidad de preenfriamiento del agua nebulizada producida por el generador ultrasónico, se ha diseñado y construido un banco de ensayos consistente en el generador de agua nebulizada acoplado a un túnel de viento subsónico. Los ensayos de caracterización del nebulizador ultrasónico muestran que es capaz de proporcionar un rango de caudales de agua nebulizada entre 0,11e-3 y 0,52e-3 kg/s. Además, se ha determinado mediante una técnica fotográfica que la distribución de tamaños de las gotas de agua atomizadas tiene un diámetro medio de Sauter D(3,2)=13,2 µm.
 
Los resultados del estudio de capacidad de preenfrimiento revelan que la eficiencia media del enfriamiento evaporativo (e_AEC) y la caída media de temperatura (T_drop), aumentan cuando se aumenta el caudal de agua atomizada y se reduce el caudal de aire, obteniendo unos valores máximos de e_AEC=65% y T_drop=4,3°C para una relación de caudales agua/aire de 2,41e-3 y un caudal de aire de 630 m3/h. La máxima eficiencia de saturación (e_DEC) registrada es de 83,7% para una relación agua-aire de 0,35e-3 y un caudal de aire de 630 m3/h.
 
Se ha comprobado que el proceso de preenfriamiento evaporativo no es homogéneo en todo el flujo de aire para muchas condiciones de funcionamiento y, para evaluar específicamente este fenómeno, se ha definido un nuevo indicador de rendimiento denominado e_LCP (eficiencia local de enfriamiento). Se ha identificado un rango para la relación de caudales agua/aire entre 1,4e-3 y 2,3e-3 donde se produce una mejor distribución del agua nebulizada en toda la sección de control y un proceso de enfriamiento evaporativo más homogéneo y efectivo.
 
Como valoración final, se concluye que la generación de agua nebulizada mediante ultrasonidos es una alternativa prometedora a los sistemas convencionales de preenfriamiento que utilizan paneles evaporativos, pero que aún presenta inconvenientes que es necesario abordar con futuros trabajos de investigación