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Intercambiador de calor externo de una bomba de calor de fuente de aire

Una bomba de calor es un dispositivo que se utiliza para calentar y en ocasiones también enfriar edificios transfiriendo energía térmica de un espacio más frío a un espacio más cálido utilizando el ciclo de refrigeración , siendo la dirección opuesta en la que se produciría la transferencia de calor sin la aplicación de energía externa. Los tipos de dispositivos comunes incluyen bombas de calor de fuente de aire , bombas de calor de fuente terrestre , bombas de calor de fuente de agua y bombas de calor de aire de escape . Las bombas de calor también se utilizan a menudo en sistemas de calefacción urbana .

La eficiencia de una bomba de calor se expresa como un coeficiente de rendimiento (COP) o coeficiente de rendimiento estacional (SCOP). Cuanto mayor sea el número, más eficiente es una bomba de calor y menos energía consume. Cuando se utilizan para calentar espacios, estos dispositivos suelen ser mucho más eficientes energéticamente que los simples calentadores de resistencia eléctrica .

Historia [ editar ]

Hitos:

  • 1748: William Cullen demuestra la refrigeración artificial.
  • 1834: Jacob Perkins construye un práctico frigorífico con éter dietílico .
  • 1852: Lord Kelvin describe la teoría subyacente a las bombas de calor.
  • 1855-1857: Peter von Rittinger desarrolla y construye la primera bomba de calor. [1]
  • 1928: Aurel Stodola construye una bomba de calor de circuito cerrado (fuente de agua del lago de Ginebra ) que proporciona calefacción al ayuntamiento de Ginebra hasta el día de hoy.
  • 1945: John Sumner, ingeniero eléctrico de la ciudad de Norwich , instala un sistema de calefacción central alimentado por bomba de calor con fuente de agua experimental, utilizando un río vecino para calentar los nuevos edificios administrativos del Ayuntamiento. Ratio de eficiencia estacional de 3,42. Entrega térmica media de 147 kW y potencia máxima de 234 kW. [2]
  • 1948: A Robert C. Webber se le atribuye el mérito de haber desarrollado y construido la primera bomba de calor terrestre. [3]
  • 1951: Primera instalación a gran escala: se abre el Royal Festival Hall de Londres con una bomba de calor de fuente de agua reversible alimentada por gas , alimentada por el Támesis , para las necesidades de calefacción en invierno y refrigeración en verano. [2]

Tipos [ editar ]

Unidad exterior de bomba de calor de fuente de aire que funciona en condiciones de congelación

Bomba de calor de fuente de aire [ editar ]

Las bombas de calor de fuente de aire se utilizan para mover el calor entre dos intercambiadores de calor, uno fuera del edificio que está equipado con aletas a través de las cuales se impulsa el aire mediante un ventilador y el otro que calienta el aire dentro del edificio directamente o calienta el agua que luego circula. alrededor del edificio a través de emisores de calor que liberan el calor al edificio. Estos dispositivos también pueden operar en un modo de enfriamiento donde extraen calor a través del intercambiador de calor interno y lo expulsan al aire ambiente usando el intercambiador de calor externo. Normalmente también se utilizan para calentar agua para lavar que se almacena en un depósito de agua caliente sanitaria. [ cita requerida ]

Las bombas de calor de fuente de aire son relativamente fáciles y económicas de instalar y, por lo tanto, históricamente han sido el tipo de bomba de calor más utilizado. En un clima templado, el COP puede estar alrededor de 4.0, mientras que a temperaturas por debajo de los 0 ° C (32 ° F) una bomba de calor de fuente de aire puede alcanzar un COP de 2.5. El COP promedio sobre la variación estacional es típicamente 2.5-2.8, con modelos excepcionales capaces de superarlo en climas templados. [ cita requerida ]

Bomba de calor geotérmica (fuente terrestre) [ editar ]

Una bomba de calor geotérmica ( inglés norteamericano ) o una bomba de calor de fuente terrestre ( inglés británico ) extrae calor del suelo o del agua subterránea que permanece a una temperatura relativamente constante durante todo el año por debajo de una profundidad de aproximadamente 30 pies (9,1 m). [4] Una bomba de calor geotérmica bien mantenida normalmente tendrá un COP de 4.0 al comienzo de la temporada de calefacción y un COP estacional de alrededor de 3.0 a medida que se extrae calor del suelo. [5] Las bombas de calor geotérmicas son más caras de instalar debido a la necesidad de perforar pozos para la colocación vertical de la tubería del intercambiador de calor o la excavación de zanjas para la colocación horizontal de la tubería que transporta el fluido del intercambio de calor (agua con un poco de anticongelante ).

También se puede usar una bomba de calor geotérmica para enfriar edificios durante los días calurosos, transfiriendo así el calor de la vivienda al suelo a través del circuito de tierra. Los colectores solares térmicos o las tuberías colocadas dentro de la pista de un estacionamiento también se pueden usar para reponer el calor bajo tierra. [ cita requerida ]

Bomba de calor de aire de escape [ editar ]

  • Bomba de calor de aire de escape (extrae el calor del aire de escape de un edificio, requiere ventilación mecánica )
    • Bomba de calor aire-aire de escape (transfiere calor al aire de admisión)
    • Bomba de calor aire-agua de escape (transfiere el calor a un circuito de calefacción y a un depósito de agua caliente sanitaria)

Bomba de calor asistida por energía solar [ editar ]

Una bomba de calor asistida por energía solar es una máquina que representa la integración de una bomba de calor y paneles solares térmicos en un solo sistema integrado. Normalmente, estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . [6] En este sistema el panel solar térmico realiza la función de fuente de calor de baja temperatura y el calor producido se utiliza para alimentar el evaporador de la bomba de calor. [7] El objetivo de este sistema es obtener un COP alto y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.

Bomba de calor de fuente de agua [ editar ]

Se está instalando un intercambiador de calor de fuente de agua

Una bomba de calor de fuente de agua funciona de manera similar a una bomba de calor de fuente terrestre, aparte de que toma calor de una masa de agua en lugar de la tierra. Sin embargo, el cuerpo de agua debe ser lo suficientemente grande para poder soportar el efecto de enfriamiento de la unidad sin congelarse o crear un efecto adverso para la vida silvestre.

Bomba de calor híbrida [ editar ]

Bombas de calor híbridas (o de fuente doble): cuando el aire exterior está por encima de 4 a 8 grados Celsius (40-50 Fahrenheit, dependiendo de la temperatura del agua subterránea), utilizan aire; cuando el aire es más frío, utilizan la fuente terrestre. Estos sistemas de fuentes gemelas también pueden almacenar el calor del verano, haciendo pasar agua de la fuente subterránea a través del intercambiador de aire o del calentador-intercambiador del edificio, incluso cuando la bomba de calor no está en funcionamiento. Esto tiene una doble ventaja: funciona como un bajo costo de funcionamiento para la refrigeración por aire y (si el agua subterránea está relativamente estancada) aumenta la temperatura de la fuente terrestre, lo que mejora la eficiencia energética del sistema de bomba de calor en aproximadamente un 4% para cada grado de aumento de temperatura de la fuente terrestre.

Aplicaciones [ editar ]

Hay millones de instalaciones domésticas que utilizan bombas de calor de fuente de aire. [8] Se utilizan en climas con necesidades moderadas de calefacción y refrigeración (HVAC) y también pueden proporcionar agua caliente sanitaria y funciones de secado de ropa. [9] Los costos de compra están cubiertos en varios países por descuentos al consumidor. [10]

Calefacción y refrigeración de edificios y vehículos [ editar ]

En aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), una bomba de calor es típicamente un dispositivo de refrigeración por compresión de vapor que incluye una válvula de inversión e intercambiadores de calor optimizados para que la dirección del flujo de calor (movimiento de energía térmica) pueda invertirse. La válvula de inversión cambia la dirección del refrigerante a través del ciclo y, por lo tanto, la bomba de calor puede suministrar calefacción o refrigeración a un edificio. En climas más fríos, la configuración predeterminada de la válvula de inversión es calefacción.

La configuración predeterminada en climas cálidos es enfriamiento. Debido a que los dos intercambiadores de calor, el condensador y el evaporador, deben intercambiar funciones, están optimizados para funcionar adecuadamente en ambos modos. Por lo tanto, la calificación SEER, que es la calificación de eficiencia energética estacional , de una bomba de calor reversible suele ser ligeramente menor que dos máquinas optimizadas por separado. Para que el equipo reciba la calificación Energy Star , debe tener una calificación de al menos 14.5 SEER. [ cita requerida ]

Calentamiento de agua [ editar ]

En aplicaciones de calentamiento de agua , se puede usar una bomba de calor para calentar o precalentar agua para piscinas o calentar agua potable para uso doméstico e industrial. Por lo general, el calor se extrae del aire exterior y se transfiere a un tanque de agua interior; otra variedad extrae el calor del aire interior para ayudar a enfriar el espacio.

Calefacción urbana [ editar ]

Las bombas de calor también se pueden utilizar como proveedor de calor para calefacción urbana . Las posibles fuentes de calor para tales aplicaciones son aguas residuales , agua ambiental (como agua de mar, lago y río), calor residual industrial , energía geotérmica , gases de combustión , calor residual del enfriamiento del distrito y calor del almacenamiento de calor solar . En Europa, se instalaron más de 1500 MW desde la década de 1980, de los cuales alrededor de 1000 MW estaban en uso en Suecia en 2017. [11] Bombas de calor a gran escala para calefacción urbana combinadas con almacenamiento de energía térmicaofrecen alta flexibilidad para la integración de energías renovables variables. Por lo tanto, se consideran una tecnología clave para los sistemas de energía inteligente con una alta proporción de energía renovable de hasta el 100% y los sistemas avanzados de calefacción urbana de cuarta generación. [11] [12] [13] También son un elemento crucial de los sistemas de calefacción urbana fría . [14]

Calefacción industrial [ editar ]

Existe un gran potencial para reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas en la industria mediante la aplicación de bombas de calor industriales. Un proyecto de colaboración internacional completado en 2015 recopiló un total de 39 ejemplos de proyectos de I + D y 115 estudios de casos en todo el mundo. [15] El estudio muestra que son posibles períodos de amortización cortos (menos de 2 años), se puede lograr una alta reducción de las emisiones de CO2 (en algunos casos, más del 50%). [16] [17]

Rendimiento [ editar ]

Al comparar el rendimiento de las bombas de calor, se prefiere el término "rendimiento" a "eficiencia", y el coeficiente de rendimiento (COP) se utiliza para describir la relación de movimiento de calor útil por entrada de trabajo. Un calentador de resistencia eléctrica tiene un COP de 1.0, que es considerablemente más bajo que una bomba de calor bien diseñada que normalmente estará entre COP de 3 a 5 con una temperatura externa de 10 ° C y una temperatura interna de 20 ° C. Una bomba de calor de fuente terrestre generalmente tendrá un rendimiento más alto que una bomba de calor de fuente de aire.

El 'Coeficiente de rendimiento estacional' (SCOP) es una medida de la eficiencia energética agregada durante un período de un año que depende en gran medida del clima de la región. Un marco para este cálculo lo proporciona el Reglamento (UE) nº 813/2013 de la Comisión: [18]

En el modo de refrigeración, el rendimiento operativo de una bomba de calor se describe en los EE. UU. Como su índice de eficiencia energética (EER) o índice de eficiencia energética estacional (SEER), y ambas medidas tienen unidades de BTU / (h · W) (1 BTU / (h · W) = 0,293 W / W) con un número EER mayor que indica un mejor rendimiento. Sin embargo, el rendimiento real varía y depende de muchos factores, como los detalles de la instalación, las diferencias de temperatura, la elevación del sitio y el mantenimiento.

Operación [ editar ]

Figura 2: Diagrama de temperatura-entropía del ciclo de compresión de vapor.
Una vista interna de la unidad exterior de una bomba de calor de fuente de aire Ecodan

La compresión de vapor utiliza un refrigerante líquido en circulación como medio que absorbe el calor de un espacio, lo comprime aumentando así su temperatura antes de liberarlo en otro espacio. El sistema normalmente tiene 8 componentes principales: un compresor , un depósito, una válvula de inversión que selecciona entre el modo de calefacción y refrigeración, dos válvulas de expansión térmica (una utilizada en el modo de calefacción y la otra cuando se utiliza en el modo de refrigeración) y dos intercambiadores de calor, uno asociado con la fuente de calor / disipador externo y el otro con el interior. En modo calefacción el intercambiador de calor externo es el evaporador y el interno es el condensador; en el modo de enfriamiento, los roles se invierten.

El refrigerante en circulación ingresa al compresor en el estado termodinámico conocido como vapor saturado [22] y se comprime a una presión más alta, lo que también produce una temperatura más alta. El vapor caliente y comprimido se encuentra entonces en el estado termodinámico conocido como vapor sobrecalentado y está a una temperatura y presión a las que se puede condensar con agua de refrigeración o aire de refrigeración que fluye a través del serpentín o los tubos. En el modo de calefacción, este calor se utiliza para calentar el edificio mediante el intercambiador de calor interno, y en el modo de refrigeración, este calor se rechaza a través del intercambiador de calor externo.

El refrigerante líquido condensado, en el estado termodinámico conocido como líquido saturado , pasa a través de una válvula de expansión donde sufre una abrupta reducción de presión. Esa reducción de presión da como resultado la evaporación instantánea adiabática de una parte del refrigerante líquido. El efecto de autorefrigeración de la evaporación instantánea adiabática reduce la temperatura de la mezcla de refrigerante líquido y vapor hasta donde es más fría que la temperatura del espacio cerrado a refrigerar.

Luego, la mezcla fría se envía a través del serpentín o los tubos en el evaporador. Un ventilador hace circular el aire caliente en el espacio cerrado a través del serpentín o los tubos que transportan el líquido refrigerante frío y la mezcla de vapor. Ese aire caliente evapora la parte líquida de la mezcla refrigerante fría. Al mismo tiempo, el aire circulante se enfría y, por lo tanto, baja la temperatura del espacio cerrado a la temperatura deseada. El evaporador es donde el refrigerante en circulación absorbe y elimina el calor que posteriormente se rechaza en el condensador y se transfiere a otra parte por el agua o el aire utilizado en el condensador.

Para completar el ciclo de refrigeración , el vapor refrigerante del evaporador es nuevamente un vapor saturado y se envía de regreso al compresor.

Con el tiempo, el evaporador puede acumular hielo o agua de la humedad ambiental . El hielo se derrite mediante el ciclo de descongelación . En el intercambiador de calor interno se utiliza para calentar / enfriar el aire interior directamente o para calentar agua que luego se hace circular a través de radiadores o circuito de calefacción por suelo radiante para calentar o enfriar los edificios.

Elección de refrigerante [ editar ]

Hasta la década de 1990, las bombas de calor, junto con los refrigeradores y otros productos relacionados, usaban clorofluorocarbonos (CFC) como refrigerantes que causaban un daño importante a la capa de ozono cuando se liberaban a la atmósfera . El uso de estos productos químicos fue prohibido o estrictamente restringido por el Protocolo de Montreal de agosto de 1987. [23] Los reemplazos, incluidos el R-134a y el R-410A, son hidrofluorocarbonos con propiedades termodinámicas similares con un potencial insignificante de agotamiento del ozono pero con un potencial de calentamiento global problemático . [24] El HFC es un potente gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático. [25][26] Los refrigeradores más recientes incluyen difluorometano (R32) e isobutano (R600A) que no agotan el ozono y también son mucho menos dañinos para el medio ambiente. [27] El dimetiléter (DME) también ha ganado popularidad como refrigerante. [28]

Incentivos gubernamentales [ editar ]

Estados Unidos [ editar ]

Créditos de energía alternativa en Massachusetts [ editar ]

El Estándar de cartera de energía alternativa (APS) se desarrolló en 2008 para requerir que un cierto porcentaje del suministro de electricidad de Massachusetts se obtenga de fuentes de energía alternativas específicas. [29] En octubre de 2017, el Departamento de Energía de Massachusetts (DOER) redactó reglamentos, de conformidad con el Capítulo 251 de las Leyes de 2014 y el Capítulo 188 de las Leyes de 2016, que agregaron energía térmica renovable, celdas de combustible y conversión de residuos en energía. térmica al APS. [29]

Los Créditos de Energía Alternativa (AEC) se emiten como un incentivo para los propietarios de instalaciones de energía térmica renovable elegibles, a una tasa de un crédito por cada equivalente de megavatio-hora (MWhe) de energía térmica generada. Los proveedores minoristas de electricidad pueden comprar estos créditos para cumplir con los estándares de cumplimiento de APS. El APS expande los mandatos renovables actuales a un espectro más amplio de participantes, a medida que el estado continúa expandiendo su cartera de fuentes de energía alternativas.

Referencias [ editar ]

  1. Banks, David L. (6 de mayo de 2008). Introducción a la termogeología: calefacción y refrigeración de fuentes terrestres (PDF) . Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4051-7061-1.
  2. ^ a b Suministro de electricidad en el Reino Unido: una cronología: desde los inicios de la industria hasta el 31 de diciembre de 1985 . Consejo de Electricidad. El Ayuntamiento. 1987. ISBN 978-0851881058. OCLC  17343802 .CS1 maint: others (link)
  3. ^ Banks, David (agosto de 2012). Introducción a la termogeología: calefacción y refrigeración de fuentes terrestres . John Wiley e hijos. pag. 123.
  4. ^ "Ciclos de temperatura estacional" . 30 de mayo de 2013. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2013.
  5. ^ Rob Andrushuk, Phil Merkel (junio de 2009). "Rendimiento de las bombas de calor de fuente terrestre en Manitoba" (PDF) .
  6. ^ "Bombas de calor asistidas por energía solar" . Consultado el 21 de junio de 2016 .
  7. ^ "Pompe di calore elio-assistite" (en italiano). Archivado desde el original el 7 de enero de 2012 . Consultado el 21 de junio de 2016 .
  8. ^ https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_roadmap.pdf pg16
  9. ^ "Sistemas de bomba de calor" . Departamento de Energía de EE. UU.
  10. ^ "Incentivo de calor renovable - RHI nacional - pagado durante 7 años" . Asociación de bombas de calor de fuente terrestre .
  11. ^ a b David, Andrei; et al. (2017). "Hoja de ruta del calor en Europa: bombas de calor eléctricas a gran escala en sistemas de calefacción de distrito" . Energías . 10 (4): 578. doi : 10.3390 / en10040578 .
  12. ^ Lund, Henrik ; et al. (2014). "Calefacción urbana de cuarta generación (4GDH): integración de redes térmicas inteligentes en futuros sistemas de energía sostenible". Energía . 68 : 1-11. doi : 10.1016 / j.energy.2014.02.089 .
  13. ^ Sayegh, MA; et al. (2018). "Colocación, conexión y modos de funcionamiento de la bomba de calor en la calefacción urbana europea" . Energía y Edificación . 166 : 122-144. doi : 10.1016 / j.enbuild.2018.02.006 .
  14. ^ Simone Buffa; et al. (2019), "Sistemas de refrigeración y calefacción de distrito de quinta generación: una revisión de casos existentes en Europa", Renewable and Sustainable Energy Reviews (en alemán), 104 , pp. 504–522, doi : 10.1016 / j.rser.2018.12. 059
  15. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/annex35/ Anexo 35 de IEA HPT TCP
  16. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/publications/?search=Annex+35 Publicaciones del anexo 35 de IEA HPT TCP
  17. ^ https://heatpumpingtechnologies.org/publications/application-of-industrial-heat-pumps-annex-35-two-page-summary/ Resumen del anexo 25 de IEA HPT TCP
  18. ^ "Requisitos de diseño ecológico para calefactores" . Derecho de la Unión Europea . Consultado el 31 de enero de 2021 .
  19. ^ a b c d La red canadiense de energía renovable 'Sistemas comerciales de energía de la tierra', Figura 29 . . Consultado el 8 de diciembre de 2009.
  20. ^ Instituto técnico de física y química, Academia de Ciencias de China 'Estado del arte de la bomba de calor de fuente de aire para la región fría', Figura 5 . . Consultado el 19 de abril de 2008.
  21. ^ a b SINTEF Energy Research 'Sistemas integrados de bombas de calor de CO 2 para calefacción de espacios y ACS en casas pasivas y de baja energía', J. Steen, Tabla 3.1, Tabla 3.3 Archivado el 18 de marzo de 2009 en la Wayback Machine . . Consultado el 19 de abril de 2008.
  22. ^ Los vapores saturados y los líquidos saturados son vapores y líquidos a su temperatura de saturación y presión de saturación . Un vapor sobrecalentado está a una temperatura más alta que la temperatura de saturación correspondiente a su presión.
  23. ^ "Manual para el Protocolo de Montreal sobre sustancias que agotan la capa de ozono - séptima edición" . Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente - Secretaría del Ozono. 2007. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2016 . Consultado el 18 de diciembre de 2016 .
  24. ^ "Refrigerantes - Propiedades ambientales" . La caja de herramientas de ingeniería . Consultado el 12 de septiembre de 2016 .
  25. ^ R-410A # Efectos ambientales
  26. ^ Ecometrica.com. "Cálculo del potencial de gases de efecto invernadero del R-410A" . Consultado el 13 de julio de 2015 .
  27. Itteilag, Richard L. (9 de agosto de 2012). Electricidad verde y calentamiento global . AuthorHouse. pag. 77. ISBN 9781477217405.
  28. ^ "Mezcla de refrigerante R404 y DME como una nueva solución para limitar el potencial de calentamiento global" (PDF) . 14 de marzo de 2012. Archivado desde el original (PDF) el 14 de marzo de 2012.
  29. ^ a b "DSIRE" . programmes.dsireusa.org . Consultado el 31 de julio de 2019 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Bomba de calor (ingeniería) en la Encyclopædia Britannica
  • Información práctica sobre la instalación de sistemas de bombas de calor geotérmicas en el hogar
  • Programa de colaboración tecnológica de la IEA sobre tecnologías de bombeo de calor