Optimización electrónica y eléctrica de un pozo de bombeo

Abstract

El objetivo de este proyecto es la mejora de la instalación de calefacción de una vivienda unifamiliar, optimizando el funcionamiento de la bomba de circulación y su interacción con el termostato. Se pretende de esta manera reducir el consumo de energía a la vez que se mejora el funcionamiento del sistema y se aumenta la comodidad de los ocupantes de la vivienda. Todo ello sin recurrir a cambios drásticos de la instalación que impliquen realizar obras o sustituir sistemas enteros. Para lograr esto, es importante hacer un estudio detallado de la instalación de calefacción ya existente. En la primera parte de este proyecto se estudian en detalle los distintos elementos que componen el sistema (caldera, bombas, termostato, radiadores, etc.) y se crean modelos que permitan después trabajar con ellos, realizando simulaciones y robando distintos ajustes. El primero de los modelos creados emula el comportamiento hidráulico de la instalación, recreando el comportamiento de las tuberías y radiadores. Permite calcular características como las pérdidas en distintos puntos del sistema o en total, el caudal de la bomba y los caudales que circulan por cada elemento de la instalación, entre otras. Para crearlo, se estudiarán los distintos elementos de la instalación desde la perspectiva de la mecánica de fluidos, y se creará el modelo en el software especializado Epanet. También se calculará de forma analítica el equilibrado del sistema, para que a todos los radiadores llegue el mismo caudal. Además de modelar el comportamiento hidráulico, también se hará lo propio con el comportamiento térmico. Para ello, se recurrirá a la teoría de transmisión de calor y con ella se estudiará el flujo de calor del radiador a la vivienda y de la vivienda al exterior. A partir de este comportamiento se creará un modelo que permita relacionar la acción del termostato, y su actuación sobre la bomba de circulación, con la temperatura ambiente en el interior de la vivienda. Para ello se utilizarán los softwares Matlab y Simulink. Una vez creados los modelos, se realizarán varias simulaciones. Primero, se simulará el comportamiento del sistema termostato-bomba actual, y se identificarán los problemas que pueda tener. Después, con los resultados obtenidos, se estimará el consumo energético anual de la bomba. Una vez se ha trabajado con la instalación ya existente, se buscará qué modificaciones realizar para mejorar el funcionamiento. Éstas pasarán por cambiar el termostato y la bomba, de tal manera que se pueda implementar un regulador automático mejorado. Tras decidir cuáles serán los nuevos elementos, y diseñar un nuevo algoritmo de control, se procederá a simular su comportamiento de la misma manera que ya se hizo con el sistema actual, así como calcular una previsión del consumo anual nuevo. Finalmente, se compararán los desempeños de ambos sistemas en términos de confort y sus consumos energéticos, viendo las mejoras obtenidas.

The aim of this project is to improve the heating installation of a single-family home, optimizing the operation of the circulation pump and its interaction with the thermostat. This way, it is intended to reduce energy consumption while improving the operation of the system and the comfort of the inhabitants of the house. All of this will be done without resorting to drastic changes to the installation, such as completely changing the heating system, the plumbing, etc. To achieve this, it is important to make a detailed study of the existing heating installation. In the first part of this project, the different elements that make up the system (boiler, pumps, thermostat, radiators, etc.) are studied in detail, and models that will allow working with them, running simulations and testing different settings, are created. The first of these models emulates the hydraulic behavior of the installation, recreating the behavior of pipes and radiators. It allows the calculation of characteristics such as losses at different points in the system or in total, the pump flow rate, and the flow rates circulating through each element of the installation, among others. To create it, the different elements of the installation will be studied from a fluid-mechanics perspective, and the model will be created in the specialized software Epanet. The equilibrium of the system will also be calculated analytically, so that the same flow reaches all the radiators. In addition to modeling the hydraulic behavior, the same will also be done with the thermal behavior. For this, the theory of heat transmission will be used, and with it, it will be determined the heat flow from the radiator to the interior of the housing and from the interior of the housing to the exterior. A model based on this behavior will be created, and it will determine the relationship between the action of the thermostat on the circulation pump and the room temperature inside the house. For this, Matlab and Simulink softwares will be used. Once the models are created, several simulations will be carried out. First, the behavior of the current thermostat-pump system will be simulated, identifying the problems it may have. Then, with the results obtained, the annual energy consumption of the bomb will be calculated. After working with the existing installation, modifications to improve performance will be looked for and performed. These will consist of changing the thermostat and pump, such that an improved automatic regulator can be implemented. After deciding what the new elements will be, and designing a new control algorithm, we will proceed to simulate its behavior in the same way as was done with the current system, as well as calculating a new annual consumption forecast. Finally, the performances of both systems, as well as their energy consumptions, will be compared, to see what improvements have been obtained.