Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Laura Alonso, Investigador, Tecnalia, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Xabier Peña, Investigador, Tecnalia, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Jon Iturralde, Investigador, Tecnalia, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Carol Pascual, Investigador, Tecnalia, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
Resumen
En este artículo se presenta el diseño de una bomba de calor reversible caracterizada por utilizar un refrigerante natural (R290) y por su funcionamiento dual, combinando aerotermia y geotermia en función de las necesidades. La bomba de calor está pensada para su integración con energía solar fotovoltaica en edificios multifamiliares de consumo de energía casi nulo, con el objetivo de llegar a altas tasas de autoconsumo renovable. La utilización de una unidad exterior dual permite el uso de energía aerotérmica o geotérmica en función de las condiciones exteriores más favorables en cada caso, pudiendo a su vez utilizar ambas fuentes de manera simultánea. Se ha tomado un EECN de referencia, calculando sus demandas térmicas, y se han definido las condiciones de diseño del equipo. El equipo ha sido diseñado prestando especial atención al intercambiador dual, capaz de funcionar como evaporador/condensador, y utilizando como fuente/sumidero energía aerotérmica y geotérmica. Se ha desarrollado un modelo termodinámico de la bomba de calor con objeto de caracterizar su funcionamiento en las diferentes condiciones de operación que ofrece el equipo.
Palabras clave
Bomba de calor, intercambiador dual, energía renovable
Introducción
De acuerdo con la Hoja de ruta hacia una Europa eficiente en el uso de los recursos, Europa debe reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero entre un 80-95% para el 2050. Las ciudades y el sector de la construcción desempeñan un papel decisivo en el proceso de transición energética y reducción de la huella de carbono en la UE. Dentro de este contexto, la generación de calor y frío en edificios puede y debe jugar un papel importante hacia el cambio de modelo.
Las bombas de calor tienen características que las hacen muy interesantes para su uso en edificios de energía casi nula (EECN). Estos edificios están diseñados para tener una demanda energética muy baja, que se cubre en gran medida por energía proveniente de fuentes renovables, incluyendo autoproducción de energía renovable. En este contexto y atendiendo al consumo de energía residencial, la bomba de calor se impone como tecnología de futuro. Por su consideración de renovable, versatilidad y alto rendimiento energético, el desarrollo de la tecnología de bomba de calor resultará crucial en esta transición hacia edificios de energía casi nula.
El uso de refrigerantes de bajo impacto es una necesidad que ya está recogida normativamente, y se acentuará en el futuro. Esto es debido a que los refrigerantes tradicionales tienen un alto potencial de calentamiento atmosférico (PCA o en inglés GWP: Global Warming Potential), y el uso de estos se ha comenzado a restringir para determinadas aplicaciones. La normativa F-Gas [1] ha determinado una serie de restricciones sobre el uso de los refrigerantes hasta el año 2030. A partir del 1 de enero de 2022 los gases fluorados con un PCA ≥ 150 serán prohibidos en equipos comerciales sellados excepto equipos de evaporación de < -50°C o con una carga de fluido menor a 40 tCO2eq. En este contexto, se está extendiendo la utilización de refrigerantes naturales en los casos en los que resulta tecnológicamente seguro y económicamente viable.
Bomba de calor dual
El proyecto se centra en el diseño de una bomba de calor dual con refrigerante natural, para su integración en sistemas térmicos orientados a edificios residenciales multifamiliares. La misma se alimentará mediante electricidad renovable en gran parte (proveniente de paneles fotovoltaicos con almacenamiento eléctrico en batería). La Figura 1 muestra un esquema de la bomba de calor propuesta integrada en el sistema térmico del edificio.
La bomba de calor puede proveer de calor o ACS (agua caliente sanitaria) usando ambos intercambiadores (unidad interior y desuperheater), o usarlos simultáneamente para dar ambos servicios a diferentes temperaturas. También permite proveer de frío y ACS simultáneamente, gracias al aprovechamiento del calor de descarga del compresor en el desuperheater. El intercambiador dual permite el uso de energía geotérmica y/o aerotérmica, en función de las condiciones más favorables. Además, el sistema permite realizar un enfriamiento gratuito o free cooling directamente desde el terreno. Se trata, por tanto, de un sistema versátil que permite múltiples modos de funcionamiento.
La principal innovación de la bomba de calor es el uso de un intercambiador dual. Esta característica de la bomba de calor permite disminuir la longitud de las perforaciones geotérmicas en alrededor de un 50% comparando con un sistema convencional de bomba de calor geotérmica, lo cual implica un ahorro considerable en costes de inversión.
El uso de sistemas duales que combinan la geotermia y la aerotermia se considera como una alternativa innovativa al uso de bombas de calor aerotérmicas o geotérmicas [2]. Jin et al. [3] analizaron el potencial de un sistema híbrido combinando aire ambiente y geotermia, obteniendo mejoras del COP de 28,1% y 4,7% para el sistema en modos de operación calor y frío, respectivamente. Man et al. [4] presentaron simulaciones de un sistema hibrido aerotérmico/geotérmico, con disipadores de aire suplementarios para un edificio residencial en Hong Kong. El análisis económico mostraba un ahorro en costes de inversión de 34,3% en comparación con un sistema geotérmico convencional; con un ahorro en costes de operación de 53,6% en un periodo de 10 años.
Sin embargo, todos los sistemas híbridos aerotérmicos/geotérmicos actuales utilizan dos intercambiadores en paralelo, un intercambiador refrigerante-aire (batería) y un intercambiador refrigerante-agua/salmuera (intercambiador geotérmico). En este proyecto, la bomba de calor diseñada realiza el intercambio con ambas fuentes de energía en el mismo dispositivo, el intercambiador de calor dual.
Material y métodos
El primer paso en el desarrollo de la nueva bomba de calor dual es la definición de sus condiciones de diseño. Para ello, se establece un EECN de referencia como caso representativo del tipo de edificio con mayor potencial de aplicación de la tecnología propuesta. Se trata de un caso real: un edificio multifamiliar de nueva construcción (2019) de 32 viviendas distribuidas en 6 pisos [5]. Este edificio presenta un excelente comportamiento térmico gracias al nivel de aislamiento conferido por los elementos constructivos utilizados, así como por el empleo de medidas de eficiencia energética como la recuperación de calor de ventilación.
Se sitúa en Santurtzi (Bizkaia), en una zona climática templada (Cfb según la clasificación Köppen). La bomba de calor presentada está ideada para climas del sur de Europa, donde su funcionamiento es óptimo, por lo que este caso de referencia se ajusta a la perfección a su uso previsto.
El edificio se modeliza en el programa de simulación DesignBuilder (DesignBuilder Software Ltd), especificando todas sus características constructivas, así como las relativas a su utilización (ocupación, perfiles de consumo, etc.) y ubicación (orientación, zona climática, etc.). De las simulaciones se obtienen las demandas térmicas anuales a cubrir por la bomba de calor, en una escala de tiempo horaria útil para analizar el funcionamiento del sistema en detalle.
La bomba de calor diseñada está caracterizada por:
- Uso de propano (R290) como refrigerante.
- Reversibilidad del ciclo.
- Compresor de velocidad variable.
- Inclusión de desuperheater para agua caliente sanitaria (ACS).
- Intercambiador dual como unidad exterior, que trabaja como evaporador/condensador en función del modo de operación, y capaz de utilizar agua/salmuera, aire; o ambos simultáneamente como fuente/sumidero de energía.
La capacidad del prototipo diseñado se fija en 10 kW, por cuestiones prácticas de testeo en laboratorio. Las condiciones de diseño se resumen en la Tabla I. Estas han sido definidas atendiendo a las condiciones nominales de testeo de la norma EN14511 [6] para los casos salmuera y aire. Las condiciones de generación son las correspondientes a aplicaciones a media temperatura (calefacción y refrigeración), y con objetivo de llegar a 70 ºC en ACS.
Se ha realizado un modelo termodinámico de la bomba de calor basado en el lenguaje Modelica, usando el software Dymola (Dassault Systems, www.3ds.com). Para desarrollar el modelo se han utilizado componentes de la librería TIL 3.6, y la librería TILMedia para las propiedades del propano, agua y aire, desarrolladas por TLK-Thermo (www.tlk-thermo.com). El modelo es de utilidad para caracterizar el funcionamiento de la bomba de calor en diferentes condiciones y modos de operación.
Los componentes disponibles en la librería TIL han sido modificados o completados según el caso para poder caracterizar los componentes concretos de la bomba de calor. El intercambiador dual ha sido modelado utilizando la geometría de tubo coaxial cuando el mismo utiliza la fuente de calor geotérmica (intercambio salmuera-refrigerante) y como batería con aletas cuando utiliza la fuente de calor aerotérmica (intercambio aire-refrigerante). La unidad interior y el desuperheater han sido modelados como intercambiadores de placas implementando submodelos con correlaciones basadas en literatura.
La frecuencia del compresor es fijada en cada simulación. La apertura de la válvula de expansión está controlada por un sobrecalentamiento fijado en el evaporador (e.g. 5 K). El flujo másico de la corriente de ACS se controla para llegar al punto de consigna de ACS marcado (70 ºC). Los flujos másicos de calefacción/refrigeración se regulan para obtener una diferencia de temperatura de 5 K. Finalmente, el flujo másico del circuito geotérmico se regula para obtener una diferencia de temperatura en el aire/salmuera de 3 K.
Mediante el modelo desarrollado, se ha analizado el rendimiento de la bomba de calor dual en diferentes modos de operación (calefacción, ACS y refrigeración) y con ambas fuentes/sumideros (salmuera y aire). Las condiciones en las que se ha simulado el sistema son las siguientes:
- Temperaturas de ACS:
- Entrada a 15 ºC, salida a 70 ºC, simulando que el tanque está completamente descargado.
- Entrada a 45 ºC, salida a 70 ºC, simulando que el tanque está parcialmente cargado.
- Temperaturas de calefacción:
- Temperaturas de diseño: 40-45 ºC.
- Temperaturas adicionales: 30-35 ºC.
- Temperaturas de refrigeración: 12-7 ºC.
- Temperaturas de fuente/sumidero:
- Salmuera (geotermia):
- Modo calor 0/-3ºC.
- Modo frío 25/30 ºC.
- Aire:
- Modo calor 7/4 ºC.
- Modo frío 35/38 ºC.
- Frecuencias del compresor: variando de 30 a 90 Hz, con un intervalo de 10 Hz.
- Sobrecalentamiento a la salida del evaporador: ajustado con la válvula de expansión a 5 K.
Resultados
De las simulaciones en DesignBuilder se obtienen las demandas térmicas anuales a satisfacer por la bomba de calor. La demanda de calefacción resultante es de 14.443 kWh, mientras que la de refrigeración es prácticamente despreciable (72 kWh). La demanda para generación de ACS, por su parte, es de 57.077 kWh.
Atendiendo a los resultados del modelo termodinámico, la bomba de calor llegará a la capacidad de diseño de 10 kW en calefacción con el compresor trabajando a 70 Hz. Se han obtenido las capacidades en unidad interior y desuperheater, el consumo del compresor a diferentes frecuencias, y el COP (coeficiente de rendimiento) o EER (coeficiente de eficiencia energética). A continuación, se muestran gráficamente algunos resultados de COP y EER obtenidos de la simulación.
La Figura 3 muestra el COP del equipo trabajando en modo de operación calefacción, utilizando el intercambiador dual como evaporador con diferentes fuentes (aerotermia con entrada de aire a 7 ºC / geotermia con entrada de salmuera a 0 ºC), y para diferentes condiciones de generación de agua caliente (entrada de agua a 30 ºC y a 40 ºC). Como cabe esperar, el COP obtenido es mayor en el modo aerotermia, por la mayor temperatura de evaporación derivada de una mayor temperatura de la fuente. Asimismo, el COP aumenta cuando la temperatura de generación es menor.
La Figura 4 muestra el COP de la bomba de calor trabajando en modo de operación ACS, utilizando el intercambiador dual como evaporador con las fuentes aerotérmica (a) y geotérmica (b), en las dos condiciones determinadas de generación de ACS (15/70 ºC y 45/70 ºC). El COP varía entre 2.6 y 3.3 con ambas fuentes (aerotermia y geotermia), con un COP ligeramente superior en el caso de la aerotermia. En ambos casos, el COP es superior para la generación de ACS desde una temperatura inferior, por la menor temperatura de evaporación resultante.
La Figura 5 muestra el EER del equipo trabajando en modo refrigeración, utilizando el intercambiador dual como condensador con diferentes fuentes (aerotermia con entrada de aire a 35 ºC / geotermia con entrada de salmuera a 25 ºC), y con entrada de agua fría a 7 ºC en generación. El valor de EER es mayor con la fuente geotérmica, debido a la menor temperatura de condensación.
Discusión y conclusiones
En los resultados de demandas térmicas obtenidos puede observarse cómo la energía requerida para la producción de ACS es considerablemente superior a la requerida para el acondicionamiento (calefacción/refrigeración) del edificio. Este hecho es característico de un EECN como el empleado como referencia, y se debe a sus excelentes características térmicas. Asimismo, la demanda de calefacción es claramente predominante frente a la refrigeración, lo cual es consecuencia directa de las suaves temperaturas características del clima templado Cfb. Estos resultados se utilizarán en fases posteriores del proyecto como base para el dimensionamiento a escala real de la bomba de calor, así como para el análisis de su funcionamiento. Asimismo, el modelo del edificio es fácilmente ajustable a otras características constructivas o climáticas, permitiendo un estudio de la escalabilidad y aplicabilidad del sistema presentado.
Para el diseño del equipo, se ha definido la arquitectura del sistema y los modos de operación de la bomba de calor. Se ha llevado a cabo un modelo termodinámico en Dymola para caracterizar el funcionamiento del equipo en dichos modos. Los valores máximos de COP obtenidos para cada modo de operación son:
- Modo Calefacción (40-45 ºC), con aerotermia (7/4 ºC) y geotermia (0/-3 ºC): 3,8 y 3,5 respectivamente.
- Modo ACS (15/70 ºC) con aerotermia (7/4 ºC) y geotermia (0/-3 ºC): 3,3 en ambos casos.
- Modo Refrigeración (12/7 ºC), con aerotermia (35/38 ºC) y geotermia (25/30 ºC): 3,5 y 5,5 respectivamente.
El diseño y fabricación de bomba de calor dual ha sido llevado a cabo, y actualmente el equipo está en proceso de caracterización experimental en el Laboratorio de Equipos y Sistemas Térmicos de Tecnalia. La campaña experimental permitirá la validación del modelo termodinámico llevado a cabo en Dymola. Asimismo, el modelo validado será utilizado junto con las demandas calculadas para obtener el rendimiento estacional del sistema teniendo en cuenta los múltiples modos de operación.
Agradecimientos
Los autores agradecen la financiación recibida del programa Horizon 2020 de la UE, dentro del contrato nº 814888, correspondiente al proyecto TRI-HP “Trigeneration systems based on heat pumps with natural refrigerants and multiple renewable sources.” en el que se enmarca ese análisis.
Referencias
- [1] Rees, Advances in ground-source heat pump systems. Woodhead Publishing, 2016.
- [2] Jin, T. M. Eikevik, P. Nekså, and A. Hafner, “A steady and quasi-steady state analysis on the CO2 hybrid ground-coupled heat pumping system,” International Journal of Refrigeration, vol. 76, pp. 29 – 41, 2017.
- [3] Man, H. Yang, and J. Wang, “Study on hybrid ground-coupled heat pump system for air-conditioning in hot-weather areas like hong kong,” Applied Energy, vol. 87, no. 9, pp. 2826 – 2833, 2010.
- [4] Ortiz de Elgea, D. Grisaleña, P. Hernández, J. Hernández, I. Urra, “Reducción de costes de ciclo de vida en eecns. Ejemplo de selección de sistemas de calefacción y acs para viviendas sociales en Santurce (Bizkaia).”, Libro de comunicaciones y proyectos EECN, VI Congreso Edificios Energía Casi Nula, 2019.
- [5] Peel, M. C., Finlayson, B. L., and McMahon, T. A.: Updated world map of the Köppen-Geiger climate classification, Hydrol. Earth Syst. Sci., 11, 1633-1644, https://doi.org/10.5194/hess-11-1633-2007, 2007.
- [6] EN 14511-2:2019 Acondicionadores de aire, enfriadoras de líquido y bombas de calor para la calefacción y la refrigeración de locales y enfriadoras de proceso con compresores accionados eléctricamente. Parte 2: Condiciones de ensayo.