bomba calor fundamentos

calorcalor

1FRIO CALOR AIRE ACONDICIONADO

1. INTRODUCCIN

Las bombas de calor geotrmicas son equipos denominadosagua-agua debido a que el fluido calo-portador que circula alinterior y al exterior de la instalacin es el agua, el cual, rea-liza un intercambio exterior con una fuente de calor situadaen el terreno (suelo, aguas subterrneas, aguas de pozo...).

Estas bombas de calor, situadas en instalaciones en las quese dispone el espacio suficiente para la implantacin delmedio de intercambio, suponen una mejora sustancial en laeficiencia, y por tanto una reduccin del consumo de lasmismas, respecto a las tradicionales bombas de calor. Esteaspecto es de suma importancia en el actual marco donde lapreocupacin por las emisiones de CO2 al ambiente, debidoal consumo masivo de electricidad, aumenta progresivamen-te en la sociedad y en las autoridades.

Debido a este ltimo aspecto, en la propuesta de DirectivaEuropea de Fomento del Uso de Energa procedente deRenovables con fecha 23/01/2008 se propone a estas mqui-nas como energa renovable.

2. FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR

El fundamento del funcionamiento de la bomba de calor sebasa, cuando trabaja en modo calefaccin, en extraer calorde un foco fro para que, mediante el aporte de trabajo alcompresor, el fluido refrigerante transmita esta energa enforma de calor al foco caliente (local a climatizar). En modorefrigeracin se realizan los intercambios contrarios. stosse pueden realizar de diversas formas y con distintos fluidos.La eficiencia de la mquina depender de la relacin entre lapotencia que se ceda al foco caliente y el consumo del com-presor en el caso de calefaccin (COP = Pc / Pa), y la poten-cia extrada del foco fro y el consumo del compresor en elcaso de refrigeracin (EER = Pf / Pa) .

Los componentes de la bomba de calor son: compresor, quecomprime el gas aumentando su presin mediante el consu-mo de energa elctrica. Condensador, donde el refrigerante

condensa a una temperatura mayor a la del foco caliente ycede calor a ste. Vlvula de expansin, donde el refrigeran-te disminuye su presin al expansionarse. Por ltimo, eva-porador, donde el refrigerante se evapora a una temperaturamenor que la del foco fro, extrayendo calor del mismo.

La resolucin del ciclo viene gobernada por ecuaciones deconservacin de masa y energa en cada uno de los compo-nentes, as como las ecuaciones de transferencia de calor en

FUNDAMENTOS SOBRE LAS BOMBAS DE CALOR GEOTRMICAS

Por D. Ral Tubo (Product Manager Agua de CIATESA)

Grfico 1: Esquema de principio de bomba de calor en modocalefaccin. Siendo Tc: Temperatura foco caliente; Pc: Potencia

calorfica entregada (kw.); Tf: Temperatura foco fro; Pf: Potenciafrigorfica retirada (kw.)

Grfico 2: Ciclo de bomba de calor. Componentes que lo forman

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FRIO CALOR AIRE ACONDICIONADO2

stos, sta depender de la geometra de los mismos ascomo de las propiedades de los fluidos. Las condiciones decontorno del ciclo sern las temperaturas de los focos, loscaudales de los fluidos de transferencia y la geometra de losintercambiadores.

El rendimiento ideal de la mquina de Carnot viene determi-nado por la frmula:

TfCOP =

Tc - Tf

siendo Tf la temperatura del foco fro y Tc la temperatura delfoco caliente, lo que nos indica que el rendimiento de unamquina ser mayor cuanto mayor sea la temperatura delfoco fro y menor sea la diferencia de temperaturas de ambosfocos. Esta premisa se puede advertir en el diagrama pre-sin-entalpa, de tal manera que cuanto ms cercanas estnlas lneas de evaporacin y condensacin provocar que eltrabajo de compresin sea menor y por tanto el COP mayor.

3. DISEO Y TECNOLOGA DE LAS BOMBAS DECALOR GEOTRMICAS

Existen dos tipologas de tecnologa para las bombas decalor agua-agua que se utilizan para la geotermia, los equi-pos no reversibles y los reversibles.

EQUIPOS NO REVERSIBLES

En esta tipologa no se produce la inversin del ciclo frigo-rfico de tal manera que el refrigerante discurre siempre enel mismo sentido y los intercambiadores actan como con-densador y evaporador respectivamente en toda circunstan-cia. En ellos, el cambio de funcionamiento se realiza en el

lado del agua. Para ello existe un circuito hidrulico por elque, dependiendo si las necesidades son de calefaccin orefrigeracin, el conjunto de las vlvulas hace que el aguafra y caliente transite por una u otra direccin. En el diagra-ma de funcionamiento puede observarse cul es el modo deoperacin en calefaccin.

EQUIPOS REVERSIBLES

En esta tipologa la inversin se produce en el ciclo frigor-fico mediante una vlvulade cuatro vas que direc-ciona el flujo de refrige-rante hacia el intercambia-dor del agua enviada alexterior o al interior enfuncin si las necesidadesson de calefaccin o refri-geracin. De esta forma,en calefaccin, el inter-cambiador interior actacomo condensador ycalienta el agua que circu-la a la instalacin, en elcaso contrario, actuarcomo evaporador y el aguaser enfriada. En el casode calefaccin, el inter-cambiador exterior acta

Grfico 3: Diagrama presin-entalpa del ciclo de bomba de calor

Grfico 4: Esquema de funcionamiento bomba de calor agua-agua no reversible modo calefaccin

Grfico 6: Bomba de calor agua-agua geotrmica UREA 2 de

CIATESA

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como evaporador y el agua que sale del se manda al terreno para que, tras elintercambio, aumente su temperatura yde nuevo retorne al evaporador. Encaso de refrigeracin el modo de ope-racin ser el contrario.

COMPONENTES

- COMPRESOR: la tecnologa que seutiliza para estas mquinas es del tipohermtico scroll, que aporta ventajastales como mayor eficiencia, menorvolumen, menor vibracin y nivelsonoro, bajo peso y compacidad. Losrefrigerantes utilizados actualmenteson los HFC (R410a, R407c) que noperjudican la capa de ozono. En elfuturo existe la posibilidad de los lla-mados refrigerantes naturales, como elpropano o al amonaco sin potencial deefecto invernadero. El rendimiento(COP) de estos compresores se sitaentre 4 y 5 para el caso de bombas geo-trmicas de unos 17 kW. (Fuente: CIA-TESA).

- CONDENSADOR Y EVAPORA-DOR: la tecnologa utilizada para estoscomponentes es la del tipo intercam-biador de placas de acero inoxidablesoldadas, dotado de gran compacidad yresistencia. Sin embargo es necesario,debido a su sensibilidad al ensucia-miento, que se coloquen filtros demalla en sus entradas. En ellos el inter-cambio se produce con alta eficiencia.

Otro aspecto de vital importancia es elsentido de intercambio en ambos,puede ser equi-corriente (mismo senti-do) o contra-corriente (sentido contra-rio), en funcin de que estos sentidos seestablezcan de una forma u otra en con-densador y evaporador, se producir una mayor o menorpotencia de intercambio.

La solucin de compromiso es: el condensador en contra-corriente y el evaporador en equi-corriente. Si bien, en elcaso que sea la calefaccin lo que prevalezca, los dos esta-rn en contra-corriente.

- GRUPO HIDRULICO INCORPORADO: en modelos depequea potencia, adems de la bomba de circulacin, sesuele incorporar el grupo hidrulico completo para la insta-

lacin interior, el cual incluye: vaso de expansin, termo-manmetros, purgadores de aire, vlvulas de seguridad, etc.

OTRAS FUNCIONALIDADES: PRODUCCIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)

Las bombas de calor geotrmicas aportan una funcionalidadaadida que es la produccin de agua para satisfacer lademanda de agua caliente sanitaria (ACS). Esto se puedehacer de dos formas diferentes, internamente, colocando unintercambiador de gases calientes a la salida del compresor

Grfico 5: Esquema de principio de bomba de calor reversible geotrmica. Fuente: CIATESA

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lo que permite producir constantemente, en modo calefac-cin o refrigeracin, agua caliente. O externamente, median-te una vlvula de tres vas que, cuando sea necesario envia-r agua al depsito de ACS, aqu la bomba de calor debeestar trabajando en modo de calefaccin. Debido a las bue-nas condiciones del terreno esta produccin se realiza conuna eficiencia notable. Se presentan ambos esquemas defuncionamiento:

4. FUNDAMENTOS Y TIPOLOGADEL INTERCAMBIO CON EL TERRENO

La tierra experimenta un ascenso de su temperatura confor-me aumenta la distancia a la superficie y se produce acerca-miento al ncleo. Esto supone que en las distintas capas dela tierra se acumula una energa que puede ser usada comosumidero o fuente de energa. En funcin de la temperaturaa la que se encuentre esta energa, denominada geotrmica,se divide en alta temperatura (>150C), media (35C -150C)y baja temperatura (

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dente de una bomba de calor. Este dimensionado dependerdel uso que se d a la instalacin y de la potencia trmica adisipar en cada momento; del fluido que se utilice para elintercambio; de la resistencia trmica del terreno, que vienedeterminada por las caractersticas del material que lo com-pone como antes se ha indicado, y de las condiciones clim-ticas del lugar. Todas estas caractersticas son integradaspara que se puedan realizar simulaciones con las que se ana-licen su comportamiento.

Es muy importante el anlisis y simulacin del comportamien-to del intercambio de estos dispositivos con el terreno. Dichointercambio no es comparable con otros, debido a las caracte-rsticas del medio. El dimensionado del intercambiador es vitalpara que el intercambio con el terreno se pueda realizar demanera correcta, en funcin de las condiciones climticas y decargas necesarias a lo largo del ao. El terreno tiene gran iner-cia trmica, como hemos indicado anteriormente, pero no es unsumidero con el que se pueda realizar un intercambio infinito,es decir, un mal diseo puede provocar la saturacin del terre-no. Otro error que puede ocurrir por un mal diseo que no seacapaz de intercambiar la potencia mxima necesaria. Todo elloincide en la necesidad de que se dimensione correctamenteestos intercambiadores, en tener los conocimientos y los mediosadecuados para realizarlo.

Si se observa, para una temporada de calor, la temperaturadel terreno sometido a un intercambio, sta va teniendociclos diarios en los que se va alcanzando una temperaturamayor. Para una temporada de fro esto ocurre al contrario.Es importante que una temporada contrarreste la otra, as eldiseo para una bomba que slo va a trabajar en calor o frodebe de contemplar esto cuidadosamente.

Existen softwares, como el GeoCiatesa, que proceden de unestudio cientfico basado en la experiencia y en el anlisis de

simulaciones, que integran todo ello y son capaces dedimensionar el intercambiador enterrado necesario segntodo lo comentado.

TIPOLOGA DE INTERCAMBIADORES

- REDES DE REFRIGERANTE: utilizan refrigerante comofluido. Se caracterizan por tener un coste medio- alto en fun-cin de la obra civil necesaria, es necesario un gran volumende refrigerante que va en contra de lo que marcan las distin-tas normativas que limitan el uso de ste. La reparacin delas fugas entraa gran dificultad y es muy costosa.

- REDES DE AGUA: su uso es el ms extendido, es necesa-rio el uso de agua glicolada cuando se trabaja con tempera-turas de evaporacin negativas. Se emplean tuberas de pls-tico para su implantacin, es muy importante la ejecucin dela instalacin para el correcto funcionamiento. Se distinguenlas siguientes tipologas.

CAPTADOR HORIZONTAL: se caracterizan por estarprximos a la superficie, por ello se encuentran ms influen-ciados por las fluctuaciones de la temperatura ambiente.Ocupan mayor superficie y tienen mayor riesgo de rotura. Sedimensionan para pequeas potencias y son sencillos de ins-talar. Tienen peligro de interferencia constructiva, por lo quenecesitan gran coordinacin en obra. La distancia de lostubos a la superficie oscila entre 60 y 120 cm.

CAPTADOR VERTICAL: se caracterizan por estar amayor profundidad, por ello ocupan menos superficie. Seven menos afectados por las oscilaciones de temperatura. Laprofundidad vara entre los 50 y los 150 metros, utilizandomaterial de relleno. Necesitan menor longitud relativa detubera. El coste de instalacin y la dificultad de ejecucinson mayores.

Grfico 10: Pantallas del software Geociatesa (Fuente: CIATESA)

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CAPTADOR SLINKY: es un tipo mixto. Se encuentranprximos a la superficie por tanto estn influenciados por lasfluctuaciones de temperatura ambiente. Son ms compactospero a la vez ms laboriosos de instalar que los horizontales.Se utilizan para pequeas potencias.

5. EFICIENCIA DE LAS BOMBAS DE CALORGEOTRMICAS

Por todo lo expuesto anteriormente se puede deducir que elciclo que realiza una bomba de calor geotrmica tiene unaeficiencia ms alta.

Si se analizan los rendimientos instantneos de losequipos geotrmicos respecto a los convencionalesaire-agua, expuestos en las tablas 1 y 2, vienen a refu-tar lo que predice el rendimiento ideal del ciclo deCarnot, por el que al tener unos saltos de temperaturamenores y las temperaturas de condensacin y evapo-racin ms cercanas, la eficiencia del ciclo aumenta.

De esta forma, en ciclo de calor, la bomba de calor aire-agua, para unas condiciones iguales de temperatura deagua hacia la instalacin, evapora contra el ambiente a0C lo que hace que la temperatura de evaporacin delrefrigerante se encuentre en torno a los 9C, mientras

que, en la bomba de calor geotrmica, el agua de evapora-cin est entre 0 y 5C, y la evaporacin se sita en torno alos -5C. Por ello, la bomba de calor aire-agua tiene un COPde 2.5 y la geotrmica de 3.4.

Si observamos el ciclo de fro la mejora es mayor. Con con-diciones iguales de temperatura de agua hacia la instalacin,la bomba de calor condensa contra un aire a 40C con lo queel refrigerante condensa a 58C, mientras que la bomba decalor geotrmica condensa con agua a 25-30C, por tanto, elrefrigerante condensa a 35C. Por ello, la bomba de caloraire-agua tiene un COP de 1.9 mientras que la geotrmicasube hasta 4.7.

Los rendimientos instantneos son importantes porquemuestran las condiciones que se consideran nominales parael funcionamiento de un equipo. Si bien, lo que realmentecalifica la eficiencia de un equipo es el rendimiento medioestacional (Cooling Seasonal Performance Factor (CSPF) yel Heating Seasonal Performance Factor (HSPF)), para ellose suma la energa calorfica o frigorfica aportada a lo largode un ao y se divide entre la energa consumida en dichoperiodo.

En esto se basan los programas oficiales de certificacinenergtica (CALENER) que se usan para la calificacin deviviendas y edificios segn lo establecido en el Real Decreto47/2007 del 19 de enero de 2007.

Si analizamos los rendimientos medios estacionales de lasbombas de calor geotrmicas respecto a las bombas de caloraire-agua la diferencia a favor de las primeras se hace anmayor. Esto se produce puesto que, las condiciones a lolargo del ao, para las bombas geotrmicas, son mucho msestables y cercanas a las temperaturas de confort que las mis-mas para las bombas de calor aire-agua. Otra de los factoresque las benefician es que en ellas no se producen los deses-carches, lo cual afecta enormemente al rendimiento medioestacional.

Si nos basamos en los datos del proyecto GEOCOOL,Ground Source Heat Pump System for Cooling and Heating

Grfico 11: Captadores horizontales (Fuente: GeoCiatesa)

Grfico 12: Captadores verticales (Fuente: GeoCiatesa)

Grfico 13: Captadores slinky (Fuente: ELK 2004. Cortesia EVE)

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in the South European Region. Publishable Final Report. VFP. Contract n NNE5/2001/847, en el que participa CIATE-SA, tenemos los siguientes datos.

Para las condiciones estudiadas, en temporada de calefac-cin, el rendimiento medio estacional (HSPF), calculado pormodelos matemticos, es para la bomba de calor aire-aguade 2.96 y para la geotrmica de 3.9, mientras que los resul-tados experimentales muestran que el HPSF para la bombade calor aire-agua baja hasta 2 mientras que el de la geotr-mica se queda en 3.46.

Para la temporada de fro, el rendimiento medio estacional

(CSPF) calculado para las bombas de calor aire-agua es de2.82 y para la geotrmica 4.6, mientras que el experimentales para la bomba de calor aire-agua 2.68 y para la geotrmi-ca 4.36.

Con todos estos datos queda demostrado la diferencia en efi-ciencia que existe entre ambas bombas de calor, en clarobeneficio con las bombas de calor geotrmicas que mejoranun 60-75 % los rendimientos medios estacionales de la aire-agua.

www.ciatesa.es

Tabla 1: Ciclo de calor

Temperatura ambiente Temperatura Temperatura Temperatura COP/agua condensacin evaporacin agua interior condensacin

Equipo Aire-Agua 0C -9C 40 / 45C 50C 2.5

Equipo Agua-Agua 5 / 0C -5C 40 / 45C 50C 3.4(geotrmico)

Tabla 2: Ciclo de fro

Temperatura ambiente Temperatura Temperatura Temperatura COP/agua condensacin condensacin agua interior evaporacin

Equipo Aire-Agua 40C 58C 7 / 12C 2C 1.9

Equipo Agua-Agua 25 / 30C 35C 7 /12C 2C 4.7(geotrmico)

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