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Apr 06, 2024

Bombas de calor y acumuladores sostenibles para una calefacción y refrigeración eficaces

Utilizar la energía del sol para satisfacer una gran parte de la demanda de calefacción en aplicaciones residenciales es una opción significativa para muchos climas, pero no es fácil de lograr y al mismo tiempo es competitiva en costos. El

Utilizar la energía del sol para satisfacer una gran parte de la demanda de calefacción en aplicaciones residenciales es una opción significativa para muchos climas, pero no es fácil de lograr y al mismo tiempo es competitiva en costos. El proyecto TRI-HP muestra cómo se puede satisfacer eficientemente la demanda de calefacción de los edificios con energía solar, utilizando lo que se conoce como hielo solar, de forma rentable. Este concepto de sistema combina colectores solares térmicos, bombas de calor y acumuladores de hielo para satisfacer las necesidades energéticas en regiones donde predomina la calefacción y con suficiente radiación solar, como por ejemplo en Europa Central. La suspensión de hielo producida en las temporadas de invierno y primavera se puede utilizar para el enfriamiento gratuito como característica adicional en climas con baja demanda de enfriamiento.

Los sistemas de hielo solar utilizan colectores solares térmicos como única fuente de calor para la bomba de calor, que además puede funcionar con energía fotovoltaica (PV). Los captadores solares térmicos también se utilizan para abastecer directamente las demandas de calefacción y agua caliente sanitaria. Mientras brilla el sol o la temperatura ambiente no es demasiado baja, los colectores solares actúan como fuente de calor directa para la bomba de calor. Durante las noches frías o los días con poca irradiación solar, el almacenamiento de hielo se utiliza como fuente de calor. El almacenamiento de hielo actúa como un almacenamiento solar estacional de baja temperatura (cargado en verano y descargado en invierno) con una densidad de energía muy grande del orden de 80 kWh/m3. En la Fig. 1 se puede ver un esquema conceptual del sistema de hielo solar.

El sistema de lodo de hielo solar se puede comparar con las bombas de calor geotérmicas (GSHP) con las ventajas de no tener que perforar pozos y, por lo tanto, no estar restringido por las leyes de protección del agua. Además, no es necesario regenerar el suelo como en el caso de las perforaciones, incluso si el acumulador está enterrado en el suelo, ya que se regenera anualmente mediante energía solar.

La principal innovación propuesta por TRI-HP es el desarrollo del concepto de lechada de hielo con el método de sobreenfriamiento, que elimina los intercambiadores de calor dentro del almacenamiento de hielo, reduciendo el costo de instalación del sistema en un 10%. Además, la superficie de transferencia de calor (superenfriador) siempre está libre de hielo y tiene una mayor eficiencia en comparación con los sistemas convencionales de hielo sobre serpentín. Con esta innovación, se espera que los sistemas de lodo de hielo solar tengan un costo similar al GSHP para la misma eficiencia del sistema sin necesidad de perforar pozos o regenerarse en escenarios futuros.

Una de las principales barreras tecnológicas para los sistemas de lechada de hielo que utilizan el método de sobreenfriamiento es el desarrollo de intercambiadores de calor que permitan operar con temperaturas de agua inferiores a 0°C sin congelarse. Dentro del proyecto TRI-HP, hemos desarrollado recubrimientos duraderos antihielo que funcionan en flujos de agua turbulentos, lo que les permite suprimir la formación de hielo para las condiciones de trabajo necesarias. Una vez que el agua se sobreenfría en una forma estable, se bombea a un cristalizador de hielo, donde se forma la suspensión de hielo que luego se almacena en el recipiente para suspensión de hielo. El grado de sobreenfriamiento se define como la diferencia entre la temperatura de congelación real y la temperatura de fusión, que es de 0°C en el caso del agua.

Los superenfriadores TRI-HP probados basados ​​en intercambiadores de calor soldados son extremadamente compactos y alcanzan grados de superenfriamiento de hasta 4°C, muy por encima de los 2°C logrados por las tecnologías japonesas de última generación que utilizan intercambiadores de calor menos compactos. La temperatura promedio de sobreenfriamiento se evaluó durante siete ciclos de congelación para diferentes recubrimientos icefóbicos, que están marcados como puntos en la Fig. 2.

El uso de refrigerantes sintéticos comenzó alrededor de 1930. Desde entonces, han sido regulados debido a la destrucción de la capa protectora de ozono de la Tierra, el alto potencial de calentamiento global (PCA) y el impacto en la salud humana. Esto ha llevado al desarrollo de tres generaciones de refrigerantes sintéticos. La última generación, basada en HFO, se descompone en la atmósfera generando ácido trifluoroacético y formando trifluoroacetato, que puede contaminar el agua potable. Por lo tanto, la única solución sostenible y duradera para las bombas de calor es utilizar refrigerantes naturales y respetuosos con el medio ambiente con bajo PCA, como hidrocarburos, agua, amoníaco y dióxido de carbono (CO2). En este contexto, en el marco del proyecto TRI-HP se desarrollaron y probaron nuevas bombas de calor con refrigerantes naturales (propano y CO2).

Dentro del proyecto TRI-HP, se ha implementado con éxito la integración de superenfriadores en bombas de calor residenciales para aplicaciones de calefacción. Hemos diseñado y fabricado dos prototipos con capacidades de alrededor de 10 kW de potencia térmica, uno de propano y el segundo de ciclo transcrítico de CO2.

Los resultados del coeficiente de rendimiento (COP) de las dos bombas de calor se muestran en la Fig. 3. Los puntos de datos a una temperatura de entrada de agua de 0 °C en el evaporador muestran situaciones en las que el agua se sobreenfrió sin congelarse, gracias a los revestimientos hielofóbicos.

Además de los supercoolers, la bomba de calor de CO2 presentó una innovación adicional. La bomba de calor dispone de un enfriador de gas tripartito que utiliza tres intercambiadores de calor para el suministro eficiente, simultáneamente o no, de las demandas de calefacción (SH) y agua caliente sanitaria (ACS). En la Fig. 3 (izquierda, arriba), se muestra el coeficiente de rendimiento (COP) de la bomba de calor de CO2 para la producción simultánea de SH y ACS en función de varias temperaturas de ACS. Para estos resultados, las demandas de SH se proporcionan a 30/35°C para condiciones de retorno/flujo desde/hacia el suelo radiante. El COP oscila entre 4 y 4,5 en la mayoría de los casos, proporcionando altas temperaturas para las demandas de ACS. La bomba de calor es capaz incluso de suministrar agua caliente sanitaria a temperaturas de hasta 70°C con un COP superior a 4.

La bomba de calor de propano puede funcionar para satisfacer las demandas de SH o ACS por separado. El COP para la provisión de demandas de SH presentado en la Fig. 3 (izquierda, abajo) está en el rango de 4,5 a 6 para edificios nuevos (suministro a 35°C) y entre 3,5 a 5,5 para edificios remodelados (suministro a 45°C). y 40°C). El COP se reduce a alrededor de 2,8 a 3,7 para satisfacer las demandas de ACS a 55°C y 60°C.

Con estos resultados, se puede concluir que la bomba de calor de CO2 es una opción mucho mejor para edificios nuevos con una gran parte de la demanda de ACS. Por otro lado, el propano es un mejor candidato para satisfacer una gran parte de las demandas de SH.

La validación de los sistemas de lodo de hielo solar se llevó a cabo mediante la prueba de ciclo conciso acelerado (CCT), donde todo el año está representado por siete días, cada uno de los cuales representa un período específico del año. El CCT se basa en un enfoque de hardware en el circuito en el que los sistemas funcionan de forma autónoma en un entorno de laboratorio relevante como si estuvieran instalados en un edificio real. Los componentes desarrollados en el proyecto, así como los necesarios para crear condiciones límite realistas, se instalaron físicamente en el laboratorio, como las bombas de calor de refrigerantes naturales explicadas anteriormente, los depósitos de almacenamiento de ACS y ACS, todos los elementos hidráulicos y las conexiones entre estos. elementos así como el control general del sistema que permite operar el sistema de forma autónoma durante varios días seguidos. También se instalaron físicamente la batería eléctrica y el inversor. Se simuló y emuló el resto del sistema, incluida la respuesta de los colectores solares térmicos, la energía fotovoltaica, el cristalizador de hielo y el almacenamiento de lodo de hielo. También se simularon/emularon las demandas del edificio, incluida la respuesta del sistema de distribución de calefacción (suelo radiante), los perfiles de extracción de ACS y los perfiles de electricidad doméstica, para crear condiciones límite realistas para el funcionamiento del sistema. Los componentes instalados y probados en el laboratorio se dimensionaron en relación con la potencia de calefacción de 10 kW de la bomba de calor, y se utilizaron simulaciones para escalar el sistema a mayores demandas de edificios multifamiliares.

El sistema de propano con suspensión de hielo está destinado a un edificio multifamiliar renovado con una demanda específica de SH de 105 kWh por superficie calentada y año en la ciudad de Zurich. El sistema probado experimentalmente logró un factor de rendimiento del sistema (SPF) anual, incluido el consumo de electricidad del compresor de la bomba de calor y de todas las bombas de circulación, de hasta 4,8, que es significativamente mayor que el SPF típico logrado por las bombas de calor geotérmicas en este clima, que Los valores típicos son del orden de 4.

El sistema de CO2 con suspensión de hielo está destinado a un nuevo edificio multifamiliar con demandas específicas de SH de 30 kWh por superficie calentada y año en la ciudad de Zurich. Este sistema se probó durante 14 días consecutivos y alcanzó con éxito un SPF anual superior a cuatro para un edificio nuevo con altos porcentajes de demanda de ACS (60 % de la demanda de SH, incluidas las pérdidas por recirculación) a altas temperaturas. La Fig. 4 muestra la temperatura de salida de la bomba de calor de CO2 al suministro de ACS y AC y a la salida del evaporador (supercooler) durante dos días de invierno, seguidos de un día de primavera. Durante todas las horas de funcionamiento de casi dos días consecutivos, el agua se sobreenfrió constantemente mientras la bomba de calor estaba en funcionamiento (el almacenamiento de hielo se estaba congelando) y no se observó ni una sola congelación no deseada. En esta prueba se simuló y emuló la generación de hielo a partir del agua sobreenfriada y su almacenamiento en un tanque de lodo de hielo. Estos resultados muestran la validación del sistema en condiciones límite dinámicas realistas en las que el enfoque de sobreenfriamiento utilizando un intercambiador de calor compacto de soldadura fuerte con recubrimientos icefóbicos funcionó de forma estable. Para un sistema ampliado, se necesitan un almacenamiento de hielo de 56 m3 y un área de colector de 76 m2 para cubrir los 51 MWh de demanda total de calor.

Por primera vez en todo el mundo, se ha validado en laboratorio el funcionamiento estable de un sistema de bomba de calor de lodo con superenfriamiento para aplicaciones de calefacción residencial, lo que supone un importante paso adelante tecnológico. Además, fue posible utilizar intercambiadores de calor de soldadura fuerte muy compactos que se utilizan habitualmente en bombas de calor residenciales de última generación como superenfriadores. El siguiente paso será probar el sistema completo con un cristalizador de hielo y un tanque de lodo de hielo reales, que no se desarrollaron dentro del proyecto TRI-HP y, por lo tanto, no se probaron físicamente en este proyecto.

Almacenamiento de alta densidad de energía para refrigeración en cargas máximas La tecnología de lodo de hielo que utiliza el método de sobreenfriamiento desarrollado en el proyecto TRI-HP para una fuente de calor eficiente para bombas de calor en aplicaciones de calefacción residencial también se puede utilizar para aplicaciones de refrigeración. De hecho, este es probablemente el mayor potencial de mercado para esta tecnología en todo el mundo. La alta densidad de energía almacenada en el hielo se puede utilizar para cubrir las cargas máximas de refrigeración durante unas horas al día, trasladando el consumo de electricidad a momentos en que la electricidad es barata o cuando hay electricidad fotovoltaica disponible. Sin embargo, la eficiencia del enfriador cae significativamente cuando se opera por debajo de 0°C para producir hielo en comparación con el almacenamiento de agua, donde la energía se puede almacenar mucho más cerca de la demanda-oferta de enfriamiento. Para abordar este problema, el proyecto de seguimiento BEST-STORAGE desarrollará un sistema de lodo de material de cambio de fase (PCM) capaz de almacenar energía entre 6 y 12 °C con una densidad de energía en el rango de 35 kWh/m3, que es seis veces mayor que el almacenamiento de agua con una diferencia de temperatura de 6°C. Además, la eficiencia del enfriador aumentará al menos un 20% en comparación con el almacenamiento de hielo debido a la mayor temperatura de fusión del PCM. El proyecto BEST-STORAGE comenzó en enero de 2023 y demostrará la tecnología de lodo PCM para cambiar las cargas máximas de refrigeración en aplicaciones reales durante 2026.

En el concepto de hielo solar explicado anteriormente, un almacenamiento de lodo de hielo actúa como un almacenamiento estacional de baja temperatura que se carga con energía solar en verano y se descarga principalmente en invierno como fuente de calor para la bomba de calor. Sin embargo, la bomba de calor tiene que utilizar electricidad, cuya disponibilidad podría ser escasa en los períodos invernales más fríos en escenarios energéticos futuros libres de fósiles. En general, se necesitan grandes cantidades de energía para el suministro de calor de los edificios en los fríos meses de invierno, cuando la energía solar es escasa y las fuentes renovables no pueden cubrir toda la demanda. Por lo tanto, serán necesarias soluciones de almacenamiento estacional capaces de satisfacer la demanda de calefacción para descarbonizar completamente los sistemas de suministro de energía. Dentro del proyecto BEST-STORAGE, se seguirá desarrollando y demostrando en el campo un almacenamiento de alta densidad de energía basado en una tecnología termoquímica con capacidades de suministro de calor de hasta 8 kW. El concepto de almacenamiento funciona como una bomba de calor de sorción accionada térmicamente a base de hidróxido de sodio acuoso (NaOH), un material abundante y muy económico. Con esta tecnología, el exceso de energía procedente de fuentes renovables intermitentes como la fotovoltaica, la termosolar o la eólica se almacena sin pérdidas para utilizarla posteriormente durante los periodos más fríos del invierno.

En TRI-HP participan 11 socios de siete países europeos diferentes (Bélgica, Dinamarca, Alemania, Noruega, España, Suecia y Suiza): siete socios de I+D (SPF-OST, TECNALIA, IREC, ISOE, NTNU, DTI, UASKA), tres PYMES (HEIM, ILAG), un gran socio industrial (ALFA LAVAL) y una ONG (REHVA). El proyecto está coordinado por SPF-OST.

En BEST-STORAGE participan 12 socios de siete países europeos diferentes (Bélgica, Estonia, Alemania, Grecia, Países Bajos, España y Suiza): tres socios de I+D (CERTH, TECNALIA, TEKNIKER), tres universidades (SPF-OST, SUPSI, TUB), un gran socio industrial (GIROA/VEOLIA), tres pymes (AVA, NEWTON, SOLINTEL) y dos asociaciones sin ánimo de lucro (EHPA, TREA). La coordinación administrativa está a cargo de SOLINTEL y la coordinación técnica está liderada por SPF-OST.

El proyecto TRI-HP ha recibido financiación de Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 814888. El proyecto BEST-STORAGE ha recibido financiación de Horizonte Europa de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 101096516.

Tenga en cuenta que este artículo también aparecerá en la decimotercera edición de nuestra publicación trimestral.

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