Resumen
Los autobuses urbanos realizan más de la mitad de los viajes en transporte público terrestre en la UE. La electrificación de estos autobuses podría reducir las emisiones del ciclo de vida en un 76% para 2030 en comparación con el diésel. En 2024, solo el 1,4% de la flota es eléctrica, pero para 2035 todos los nuevos autobuses urbanos deberán ser de cero emisiones, desempeñando un papel fundamental en la transición hacia una movilidad urbana sostenible.
El sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) es esencial para el confort y la seguridad de los pasajeros, pero también es la principal carga auxiliar, representando el 1,5% del consumo mundial de petróleo. En los autobuses eléctricos urbanos, el HVAC puede reducir la autonomía hasta en un 50% en condiciones climáticas extremas, subrayando la necesidad de optimizar su eficiencia.
La literatura actual revela importantes lagunas en el desarrollo de modelos detallados de sistemas HVAC para entornos urbanos reales. El desarrollo de dichas metodologías de evaluación del consumo energético podría facilitar la optimización de recursos y la reducción de costes e incertidumbres.
En esta tesis, se han desarrollado e integrado seis modelos avanzados en un modelo global para simular y optimizar con precisión la operación y el consumo energético del sistema HVAC de autobuses eléctricos urbanos en condiciones reales de operación:
1.Modelo espacial: Crea una representación 3D de la ciudad con edificios, árboles y calles.
2.Modelo cinemático: Genera ciclos de conducción estocásticos anuales basados en rutas, límites de velocidad y tráfico.
3.Modelo climático: Calcula la temperatura, humedad, radiación y horizonte visible para todas las superficies del autobús según los datos climáticos, la posición y la orientación.
4.Modelo térmico: Determina las ganancias de calor, transferencias de humedad, temperaturas de los nodos y cargas térmicas según las propiedades ópticas y termofísicas del autobús, la ocupación, los sistemas auxiliares y las condiciones ambientales.
5.Modelo HVAC: Evalúa el modo de operación y los puntos de funcionamiento de cada componente, su consumo energético y eficiencia y las condiciones de salida del flujo de aire y de condensado.
6.Modelo de batería: Estima el consumo energético total del autobús, incluyendo el motor, el frenado regenerativo, el HVAC y otros sistemas.
El modelo global se implementa en una herramienta de simulación aplicada a rutas reales, permitiendo analizar estrategias para reducir la demanda energética, optimizar los componentes del sistema HVAC y evaluar su impacto en el consumo total de energía.
Los resultados muestran que una simplificación excesiva del modelo puede generar errores significativos, con imprecisiones superiores al 50 % en la irradiación solar directa si no se consideran los efectos del sombreado. Los resultados destacan el papel crítico de los modelos térmicos transitorios y el impacto de la estocasticidad en la alta ocupación sobre la carga térmica.
Las simulaciones revelan que la demanda media de aire acondicionado en días cálidos de verano es de 12,1 kW, debido especialmente a las cargas solares y de ocupación, mientras que la demanda de calefacción en días fríos de invierno es de 3,3 kW, principalmente debido al aire fresco no recirculado. El modo de aire acondicionado es predominante (44,6% del tiempo), seguido por la ventilación (31,4%). El compresor consume el 69-75% de la energía en verano y el 58-65% en meses templados y en invierno. El consumo del HVAC representa el 5-12% del uso total de energía del autobús. Esta proporción es mayor en paradas más frecuentes y a velocidades más bajas, reduciendo la autonomía en un 15-20% en días cálidos y hasta un 165 % en condiciones extremas. La mejora del aislamiento y los recubrimientos pueden reducir la demanda de calefacción y aire acondicionado en un 20-31%, mientras que reducir la capacidad el compresor en un 25% ofrece ahorros de costes sin pérdida de eficiencia.
