instituto politÉ ni o na ional
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA APLICADA
TESIS
“MÉTODO DE PRUEBA DE UNA BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN
DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE
AGUA SANITARIA”
PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA:
ING. INGRID CHÁVEZ CARRANZA
DIRECTOR DE TESIS:
DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL
MÉXICO, D.F. JULIO, 2016
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis padres, Abigail y Elías. Por el amor y apoyo que me brindaron
siempre. Por todo su esfuerzo, sacrificio y dedicación para proporcionarme las
herramientas necesarias para seguir adelante, en todos los aspectos, a lo largo de mi vida.
Mi amor y gratitud hacia ustedes es inmensurable. Este logro es también suyo.
A mi hermana, Alethia, por ser la mejor compañera, mi mejor amiga, una excelente
persona y un ejemplo a seguir. Te admiro y te quiero mucho.
A mi abuelita, Ofelia. Por haber estado presente en todos mis pasos siempre, y ser parte
fundamental en cada una de las metas alcanzadas. Te quiero y te extraño como el primer
día.
Pero sobre todo, dedico este trabajo a mi esposo, Franco. Por tu paciencia infinita y apoyo
incondicional, por ser mi inspiración y motivación. Por nunca dejar de creer en mí y por
tus palabras certeras en los momentos más difíciles. No lo hubiera logrado sin ti. Te amo.
ii | P á g i n a
AGRADECIMIENTOS
Expreso mi profundo agradecimiento a las personas e instituciones que contribuyeron a la
realización de este trabajo. Primeramente al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco, por brindarme la
oportunidad de ser parte de una institución de gran calidad educativa.
A mis compañeros, amigos y personal del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica
Aplicada y a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de ESIME Zacatenco.
Especialmente agradezco a mi asesor de tesis, el Dr. Ignacio Carvajal Mariscal, por su
dirección, enseñanzas y sobre todo por su paciencia.
Agradezco a mis profesores y a los miembros del jurado por sus valiosas aportaciones,
directas e indirectas, para este proyecto:
Dr. Pedro Quinto Diez
Dr. Florencio Sánchez Silva
Dr. Alejandro Zacarías Santiago
Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña
Dr. Miguel Toledo Velázquez
M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava
Finalmente agradezco infinitamente al Dr. Amancio Moreno Rodríguez, al M. en C Jorge
Ernesto De León Ruíz y al Ing. Franco Omar Ramos Langer por su apreciable contribución,
así como al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, por el apoyo económico
proporcionado.
iii | P á g i n a
RESUMEN
En este trabajo se propone un método de prueba para evaluar la eficiencia energética de
una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP), operando
bajo las condiciones ambientales de la Ciudad de México. La DXSAHP aplicada a la
producción de agua caliente sanitaria (ACS) en el área residencial, es una tecnología en
desarrollo que pretende contribuir a la promoción del uso de energías renovables sobre
las no renovables, así como al aprovechamiento y crecimiento del sector solar en México.
Debido a que no existe actualmente una norma que considere la asistencia solar para la
evaluación del rendimiento de una bomba de calor y por lo tanto que pueda ser aplicado
al tipo de bomba concerniente, se realizó una adaptación de las 6 etapas del método de
prueba descrito en la Norma Europea UNE-EN 16147: 2011 para bombas de calor
comercializadas en la Unión Europea. Por medio de diagramas de flujo, se desarrolló la
propuesta de procedimiento de evaluación de la eficiencia energética de una DXSAHP
para el calentamiento de agua. Además, empleando un modelo para simulación numérica
se obtuvieron gráficas de los parámetros más importantes involucrados en la evaluación
de la eficiencia térmica de una DXSAHP (radiación solar, velocidad del viento, temperatura
ambiente, temperatura del agua, carga de agua y potencia eléctrica absorbida). Lo que
proporcionó información relevante para modificar y adaptar el procedimiento de prueba
propuesto.
iv | P á g i n a
Los cambios más importantes que contempla el procedimiento propuesto en este trabajo
son la consideración de las condiciones ambientales, como la radiación solar, que no es un
parámetro contemplado hasta el momento en ningún método de prueba oficial, sin
embargo representa un aumento importante en la eficiencia del sistema, de casi el doble
del valor obtenido en el COP. Mientras que la velocidad del viento influyó de diferente
forma, significando una pérdida o una ganancia de calor para el sistema, dadas las
condiciones de temperatura en la superficie del colector-evaporador con relación a la
temperatura ambiente, no constituyó diferencias significativas en el desempeño del
mismo. Es por lo anterior que como resultado del análisis realizado en conjunto con el
estudio de las normas existentes, se obtuvo un método de prueba preliminar, que
pretende sentar las bases para la creación posterior de una norma que uniforme el
funcionamiento de estos sistemas en México.
v | P á g i n a
ABSTRACT
In this work, a testing method is proposed to evaluate the energy efficiency of a direct
expansion solar-assisted heat pump water heater (DXSAHP-WH) operating under the
environmental conditions of Mexico City. The DXSAHP-WH is an emerging technology
which aims to promote the renewable energy use over the fossil fuels, as well as
contribute to the evolution of the solar sector in Mexico.
Due to the lack of regulations for the performance evaluation of a solar assisted heat
pump, an adjustment of the 6 stages of the testing method described in the European
Standard, UNE-EN 16147:2011 for commercialized heat pumps in the EU, was conducted.
Through flowcharts, it was developed the proposed procedure for the energy efficiency
evaluation of a DXSAHP-WH, exposed in this paper. In addition, using a numerical
simulation model that describes the behavior of a DXSAHP-WH, charts of the major
parameters involved in the thermal efficiency evaluation of this kind of systems (solar
radiation, wind speed, ambient temperature, water temperature, water load and
electrical power consumption) were obtained. Which provided relevant information to
modify and adapt the proposed testing procedure.
The most important changes included in the proposed procedure in this work are the
consideration of the environmental conditions, such as the solar radiation, which has
never been a discussed parameter in any official testing method, however it represents a
significant increase in efficiency of the system, almost twice the value obtained in the
COP. While other parameters considered relevant at first, as the wind speed did not
significantly influence the performance of the DXSAHP. Due this, as a result of analysis of
the evaluated parameters (solar radiation, humidity, wind speed and ambient
temperature) in conjunction with the study of existing standards, was possible to establish
an initial methodology to evaluate a DXSAHP.
CONTENIDO
DEDICATORIA ....................................................................................................................................... i
AGRADECIMIENTOS............................................................................................................................. ii
RESUMEN ............................................................................................................................................iii
ABSTRACT ............................................................................................................................................ v
LISTA DE FIGURAS................................................................................................................................ ix
LISTA DE TABLAS.................................................................................................................................. xi
NOMENCLATURA ............................................................................................................................... xii
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. xiv
Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA ..................... 2
1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA .............................................................................. 2
1.1.1 CALENTADORES SOLARES....................................................................................................... 5
1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO ...................................................................................................... 7
1.1.1.2 NORMAS VIGENTES ................................................................................................... 11
1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad de
colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y etiquetado ................ 11
1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas solares
para calentamiento de agua. Método de prueba ..................................................................... 12
1.1.2 CALENTADORES DE GAS ................................................................................................ 12
1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO .................................................................................................... 14
1.1.2.2 NORMAS VIGENTES ....................................................................................................... 15
1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso
doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado ........................................... 16
1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que
utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad, especificaciones,
métodos de prueba, marcado e información comercial (Cancela a la NOM-020-SEDG-2003) 16
1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS ......................................................................................... 17
1.1.4 BOMBAS DE CALOR ....................................................................................................... 17
Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR ......................................................................................................... 20
2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR .................................................................................. 20
2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES ............................................................................. 21
2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR ...................................................................... 26
2.4 FUNCIONAMIENTO ............................................................................................................ 30
2.5 BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR (DXSAHP) .. 33
2.6 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 35
Capítulo 3. DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA ......................................................................... 44
3.1 DESCRIPCIÓN DE LA DXSAHP ............................................................................................. 44
3.2 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA DXSAHP ........................................................... 47
3.2.1 REQUISITOS GENERALES DE PRUEBA (EN 16147:2011) ................................................ 48
3.2.2 MÉTODO DE PRUEBA (EN 16147:2011) ........................................................................ 50
3.2.2.1 ETAPA DE PRUEBA A: PERIODO DE CALENTAMIENTO .............................................. 51
3.2.2.2 ETAPA DE PRUEBA B: DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÉGIMEN
ESTABLE 54
3.2.2.3 ETAPA DE PRUEBA C: DETERMINACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO Y DEL
COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA
MEDIANTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÓN DE REFERENCIA ....................................... 54
3.2.2.4 ETAPA DE PRUEBA D: DETERMINACIÓN DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA DEL
AGUA CALIENTE Y DEL VOLUMEN MÁXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE EN CADA
EXTRACCIÓN .............................................................................................................................. 59
3.2.2.5 ETAPA DE PRUEBA E: ENSAYO PARA DETERMINAR EL RANGO DE LAS
TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 61
3.2.2.6 ETAPA DE PRUEBA F: ENSAYOS DE SEGURIDAD ........................................................ 64
3.2.2.6.1 BLOQUEO DE LOS CAUDALES DE LOS MEDIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR........ 66
3.2.2.6.2 FALLO COMPLETO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN .............................................. 66
3.3 METODOLOGÍA SIMPLIFICADA .......................................................................................... 67
Capítulo 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................................................. 75
4.1 INFLUENCIA DE LOS PARÀMETROS EVALUADOS EN EL COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE
LA DXSAHP ..................................................................................................................................... 75
4.1.1 HUMEDAD ..................................................................................................................... 76
4.1.2 VELOCIDAD DEL VIENTO ................................................................................................ 77
4.1.3 VOLUMEN DE AGUA ...................................................................................................... 79
4.1.4 RADIACIÓN SOLAR ......................................................................................................... 81
4.1.5 TEMPERATURA AMBIENTE, TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE Y CONSUMO TOTAL
DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................................................................. 84
4.2 COEFICIENTE DE DESEMPEÑO ........................................................................................... 85
4.3 PROPUESTA FINAL DE METODOLOGÌA DE EVALUACIÒN DE LA EFICIENCIA TÈRMICA ..... 87
4.3.1 ETAPA 1: PERIODO DE CALENTAMIENTO ...................................................................... 89
4.3.2 ETAPA 2: OBTENCIÒN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÈGIMEN ESTABLE ............... 92
4.3.3 ETAPA 3: DETERMINACIÒN DEL CONSUMO ENERGÈTICO Y EL COEFICIENTE DE
DESEMPEÑO MEDIENTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÒN ................................................ 95
4.3.4 ETAPA 4: DETERMINACION DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA Y VOLÙMEN
MÀXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE................................................................................... 103
4.3.5 ETAPA 5: RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................... 106
CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 115
RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 117
REFERENCIAS ................................................................................................................................... 118
APÈNDICE 1. REQUISITOS GENERALES DE ENSAYO DE LA NORMA EUROPEA EN16147:2011 ....... 125
APÉNDICE 2. TABLAS EMPLEADAS EN METODOLOGÍA DE PRUEBA PARA LA EVALUACIÓN DEL
CONSUMO ENERGÉTICO DE LA NORMA EUROPEA EN 16147:2011 ............................................... 128
APÉNDICE 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL ............................................... 136
ANEXO 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ETAPAS DE PRUEBA DE LA NORMA EUROPEA EN-16147:2011
......................................................................................................................................................... 146
ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE REQUERIMIENTOS GENERALES DE PRUEBA PARA LA DXSAHP
......................................................................................................................................................... 175
ix | P á g i n a
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891 ..................... 5
Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909 ...................... 6
Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo ........................................................... 7
Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta .......................................... 8
Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN) .......................................................................... 9
Figura 6 Estructura de un tubo evacuado ........................................................................................... 9
Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY) ................................................................ 10
Figura 8 Concentrador parabólico..................................................................................................... 10
Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico ............................................................. 13
Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo ................................. 15
Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico ........................................................... 17
Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor ............................................................................... 20
Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34 23
Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma
ANSI/ASHRAE 34 ............................................................................................................................... 24
Figura 15 Diagrama de una bomba de calor reversible .................................................................... 31
Figura 16 Diagrama p-h del ciclo ideal de una bomba de calor ........................................................ 32
Figura 17 Diagrama T-s del ciclo ideal de una bomba de calor ......................................................... 33
Figura 18 Componentes principales de una DXSAHP ........................................................................ 35
Figura 19 Diagrama esquemático de la DXSAHP del LABINTHAP ..................................................... 45
Figura 20 Etapas y orden de los ensayos establecidos en la Norma Europea EN16147:2011 .......... 50
Figura 21 Ilustración de un ensayo de ciclo de extracción posible (Norma Europea EN16147:2011)
........................................................................................................................................................... 56
Figura 22 Diagrama de flujo de la metodología simplificada de prueba .......................................... 72
Figura 23 Humedad relativa a lo largo del día en la Cd. de México .................................................. 77
Figura 24 Gráfica de Tiempo de trabajo del compresor contra Velocidad del viento ...................... 78
Figura 25 Gráfica de Flujo de calor cedido contra Temperatura de agua caliente ........................... 80
Figura 26 Gráfica de COP contra Temperatura de agua caliente ...................................................... 83
Figura 27 Gráfica de Trabajo de compresión contra Temperatura de agua caliente ....................... 85
Figura 28 Gráfica de Coeficiente de desempeño contra Temperatura de agua caliente ................. 87
Figura 29 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 1 para la DXSAHP ................................ 91
Figura 30 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 2 para la DXSAHP ................................ 94
Figura 31 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 3 para la DXSAHP .............................. 102
Figura 32 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 4 para la DXSAHP .............................. 105
Figura 33 Diagrama de flujo del procedimiento general de la etapa 5 para la DXSAHP ................. 108
Figura 34 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5
para la DXSAHP ................................................................................................................................ 111
Figura 35 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5
para la DXSAHP ................................................................................................................................ 114
x | P á g i n a
Figura 36 Colector-evaporador de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 136
Figura 37 Compresor Danfoss, modelo MTZ18JAVE de la DXSAHP del LABINTHAP ....................... 136
Figura 38 Condensador de placas Alfa-Laval, modelo ACH-30EQ-10H-F, de la DXSAHP del
LABINTHAP ...................................................................................................................................... 137
Figura 39 Filtro deshidratador Emerson, modelo TD-033, de la DXSAHP del LABINTHAP ............. 138
Figura 40 Acumulador de succión Parker, modelo VA-31-4S, de la DXSAHP del LABINTHAP ....... 139
Figura 41 Válvula reguladora de presión de cárter Danfoss, modelo KVL de la DXSAHP del
LABINTHAP ...................................................................................................................................... 140
Figura 42 Válvula reguladora de presión de evaporación Sporlan, modelo ORIT-6-30/100 de la
DXSAHP del LABINTHAP .................................................................................................................. 140
Figura 43 Presostato Alco, de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................. 141
Figura 44 Separador de aceite de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 143
Figura 45 Mirilla de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................................. 144
Figura 46 Tanque recibidor Emerson, modelo TR-100, de la DXSAHP del LABINTHAP.................. 145
Figura 47 Diagrama de flujo del procedimiento de Requisitos generales de la norma europea
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 150
Figura 48 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa A de la Norma Europea EN16147:2011
......................................................................................................................................................... 151
Figura 49 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa B de la Norma Europea EN16147:2011
......................................................................................................................................................... 153
Figura 50 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa C de la Norma Europea EN16147:2011
......................................................................................................................................................... 158
Figura 51 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa D de la Norma Europea EN16147:2011
......................................................................................................................................................... 161
Figura 52 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 163
Figura 53 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de
la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 166
Figura 54 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de
la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 169
Figura 55 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 170
Figura 56 Diagrama de flujo del fallo 1 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 172
Figura 57 Diagrama de flujo del fallo 2 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 174
xi | P á g i n a
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Normas extranjeras aplicables a bombas de calor ............................................................... 40
Tabla 2 Etapa de prueba A de la Norma Europea EN 16147:2011.................................................... 52
Tabla 3 Etapa de prueba B de la Norma Europea EN16147:2011..................................................... 53
Tabla 4 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 1/2) .................................. 57
Tabla 5 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 2/2) .................................. 58
Tabla 6 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 60
Tabla 7 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 62
Tabla 8 Etapa de prueba F de la Norma Europea EN16147:2011 ..................................................... 65
Tabla 9 Incertidumbres de medición para los valores indicados .................................................... 125
Tabla 10 Desviaciones permitidas respecto a los valores de referencia......................................... 126
Tabla 11 Requisitos de presión para bombas de calor aire-agua ................................................... 126
Tabla 12 Condiciones de ensayo aplicables a todos los sistemas ................................................... 127
Tabla 13 Condiciones de ensayo aplicables a tipos de sistemas particulares ................................. 127
Tabla 14 Caudales de extracción ..................................................................................................... 128
Tabla 15 Ciclo de extracción S ......................................................................................................... 129
Tabla 16 Ciclo de extracción M ....................................................................................................... 130
Tabla 17 Ciclo de extracción L ......................................................................................................... 131
Tabla 18 Ciclo de extracción XL ....................................................................................................... 132
Tabla 19 Ciclo de extracción XXL ..................................................................................................... 133
Tabla 20 Condiciones de funcionamiento ....................................................................................... 134
Tabla 21 Cálculo de la humedad relativa para el ensayo de rango de operaciones ....................... 134
Tabla 22 Presentación de los resultados principales ...................................................................... 134
Tabla 23 Información a registrar y calcular ..................................................................................... 135
xii | P á g i n a
NOMENCLATURA
SÍMBOLO DEFINICIÓN UNIDADES
𝒄𝒑 Calor específico del agua kJ/kg K
�̇�𝑻𝒂𝒑 Caudal volumétrico del agua durante la extracción m3/s
�̇�𝒂𝒊𝒓 Caudal volumétrico del aire nominal m3/s
�̇�𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅 Caudal volumétrico del líquido medido m3/s
𝑪𝑶𝑷 Coeficiente de desempeño --
𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética para el ciclo de extracción
𝑼𝒆 Coeficiente global de transferencia de calor W/m2K
𝑾𝒄𝒉 Consumo de energía durante el periodo de calentamiento kWh
𝑾𝑬𝑳−𝑪𝒐𝒓𝒓 Consumo de energía eléctrica en ventiladores o bombas de líquido kWh
𝑾𝑬𝑳−𝑴−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica medida durante el ciclo de extracción
completo
kWh
𝑾𝑬𝑳−𝑯𝑷−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total de la bomba de calor durante el
ciclo de extracción completo
kWh
𝑾𝑬𝑳−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total durante un ciclo de extracción kWh
𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Consumo total diario de energía eléctrica J
𝝆 Densidad kg/m3
𝝆(𝑻) Densidad del agua caliente en función de su temperatura kg/m3
∆𝑻𝒅𝒆𝒔𝒊𝒓𝒆𝒅 Diferencia de temperatura entre la temperatura del agua caliente y la
temperatura del agua fría
K
𝒕𝒆𝒔 Duración de un ciclo de arranque/parada de la bomba de calor para
determinar la potencia absorbida en régimen estable
s
𝒕𝑻𝑻𝑪 Duración de un ciclo de extracción en horas h
𝒕𝑻𝑨𝑷 Duración de una extracción s
𝑬𝑬 Eficiencia energética --
𝑾𝒆𝒔 Energía absorbida durante el último ciclo de arranque/parada para
determinar la potencia absorbida en régimen estale
kWh
𝑸𝑬𝑳−𝑻𝑪 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción
durante todo el ciclo de extracción
kWh
𝑸𝑬𝑳−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción
para alcanzar la temperatura de extracción requerida
kWh
𝑸𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil durante una extracción kWh
𝑸𝑯𝑷−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante
una extracción
kWh
𝑸𝑯𝑷−𝑻𝑪 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante
todo el ciclo de extracción
kWh
𝑸𝑻𝑪 Energía calorífica útil total durante todo un ciclo de extracción kWh
𝑸𝒓𝒔 Energía térmica absorbida con asistencia solar kWh
𝑸𝒄𝒐𝒏 Energía térmica absorbida por conducción kWh
xiii | P á g i n a
𝑸𝒓𝒂𝒅 Energía térmica absorbida por radiación kWh
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 Energía térmica correspondiente a pérdidas de calor en el sistema kWh
𝒉 Entalpía kJ/kg
�̇�𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 Flujo de calor cedido por el condensador kW
𝒊 Índice de extracción --
𝑰𝒔 Irradiancia instantánea sobre plano horizontal W/m2
𝑰𝒂𝒗𝒆 Irradiancia promedio diaria sobre plano horizontal W/m2
𝑴 Masa total del agua dentro del tanque de almacenamiento kg
𝒏𝑻𝑨𝑷 Número de extracciones durante un ciclo de extracción -
𝑹𝒊𝒉 Parámetro de simetría de radiación solar --
𝑷𝒆𝒔 Potencia absorbida en régimen estable kW
𝑸𝒂 Potencia cedida a la región de alta temperatura kW
𝑾 Potencia eléctrica absorbida kW
𝑸𝒃 Potencia térmica obtenida de la región de baja temperatura kW
𝒑 Presión kPa
𝑯𝒕 Radiación solar diaria Wh/m2
𝑻 Temperatura ° C
𝑻𝒂 Temperatura ambiente ° C
𝑻𝒂,𝒂𝒗𝒆 Temperatura ambiente promedio ° C
𝑻𝑾 Temperatura de agua caliente dentro del tanque de almacenamiento ° C
𝑻𝑾𝒊 Temperatura de agua de inicio ° C
𝑻𝑾𝒇 Temperatura de agua de salida ° C
𝜽´𝑾𝑯 Temperatura de referencia del agua caliente ° C
𝜽𝑾𝑯 Temperatura del agua caliente ° C
𝜽𝑾𝑪 Temperatura del agua fría ° C
𝑻𝒎𝒂𝒙𝒇𝒄 Temperatura máxima de la fuente de calor ° C
𝑻𝒎𝒊𝒏𝒇𝒄 Temperatura mínima de la fuente de calor ° C
𝒕 Tiempo s
𝒕𝒉 Tiempo de calentamiento s
𝒕𝒔 Tiempo de muestreo s
∆𝒕 Tiempo de trabajo del compresor s
𝒕𝟒𝟎 Tiempo entre el comienzo de la extracción y el momento en que
𝜃𝑊𝐻 (t) es inferior a 40°C
s
𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Trabajo de compresión kW
𝑼𝒂𝒊𝒓𝒆 Velocidad del viento m/s
𝑽𝒂𝒈𝒖𝒂 Volumen de agua dentro del tanque de almacenamiento m3
𝑽𝒎𝒂𝒙 Volumen máximo de agua caliente utilizable m3
𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética --
xiv | P á g i n a
INTRODUCCIÓN
El calentamiento de agua para uso doméstico es una actividad de suma importancia en la
vida cotidiana. El gasto económico que se deriva del uso de un calentador de agua
constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia promedio en México,
porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más grande en el hogar (CONUEE, 2013).
Actualmente las tecnologías más populares, en la Ciudad de México, para dicho fin son los
calentadores eléctricos, los colectores solares, los llamados calentadores híbridos:
calentadores solares que integran a su sistema un calentador de gas como calentador de
apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de
agua caliente, y los calentadores de gas, siendo éstos últimos los más empleados.
Sin embargo es necesario mencionar que cada una de estas tecnologías cuenta con
grandes desventajas económicas y/o ambientales a pesar de las mejoras que se han
alcanzado hasta ahora.
En relación a los calentadores solares, los inconvenientes de su uso son: su dependencia
total a la radiación solar, su costo inicial, que es superior al doble del costo de los
calentadores de gas o los eléctricos (INECC, 2009) y el requerimiento de grandes espacios
para su colocación, sin contar que no existe una norma oficial que regule el
comportamiento de los mismos, y por lo tanto que nos garanticen un funcionamiento
adecuado y seguro.
Para el caso de los calentadores de gas existe un impacto ambiental significativo originado
por los mismos, debido a su elevada producción de Gases de Efecto Invernadero (GEI), la
cual contribuye a la disminución en la calidad del aire y por ende a una contaminación
atmosférica causante de infecciones respiratorias y enfermedades cardiopulmonares.
Hecho que deriva en un costo considerable para el país, ya que, de acuerdo con el INEGI,
xv | P á g i n a
en el 2009 los mayores costos ambientales, equivalentes al 4.4% del producto interno
bruto (INEGI, 2011), fueron producidos por la contaminación atmosférica. Los GEI también
producen una degradación importante en la capa de ozono fortaleciendo al cambio
climático (IPCC, 2007), siendo el Valle de México la zona afectada del país más conocida
(SEMARNAT, 2008).
De igual forma, el alto consumo de gas que demanda este tipo de calentador durante su
operación implica un gasto monetario apreciable, y al ser la tecnología para calentamiento
de agua más empleada en la Ciudad de México, sus efectos negativos se magnifican.
Los calentadores eléctricos, al igual que los calentadores de gas, generan un impacto
económico sustancial en consecuencia al elevado consumo de energía eléctrica que
requieren. Estos calentadores obtienen de una o varias resistencias eléctricas el calor
necesario para calentar el agua, lo que deriva en un gasto irracional de energía al
transformar energía de alta calidad (eléctrica) en calor, en elementos de muy baja
eficiencia energética, como lo son las resistencias eléctricas.
Debido a lo anterior, la introducción al mercado de tecnologías alternativas para el
calentamiento de agua sanitaria que cuenten con una mayor eficiencia energética, que
generen un menor impacto ambiental, y que nos proporcionen una relación
costo/beneficio satisfactoria, se hace imperativa.
Con el desarrollo de una tecnología nueva para el calentamiento de agua sanitaria surge la
necesidad de crear normas que reglamenten el funcionamiento de las mismas, así como
procedimientos de evaluación y requisitos de seguridad, que, de esta forma, garanticen un
adecuado desempeño de dicho equipo.
xvi | P á g i n a
El objetivo de ésta investigación es el de desarrollar un procedimiento de evaluación de la
eficiencia energética de una bomba de calor de expansión directa asistida por energía
solar, de ahora en adelante DXSAHP, aplicada al calentamiento de agua sanitaria en el
sector doméstico para la Ciudad de México.
La justificación de dicho proyecto radica en las desventajas que presentan las tecnologías
convencionales para el calentamiento de agua y a la necesidad constante de reducir
gastos, tanto económicos como de recursos naturales, la introducción al mercado de la
DXSAHP es una opción.
Ya que no se cuenta con normas que regulen el desempeño de una tecnología en
desarrollo, como lo es la DXSAHP, es necesario crear o adecuar procedimientos para la
evaluación del funcionamiento energético de la misma que tomen en cuenta las
condiciones ambientales de nuestro país y la respalden como una tecnología sostenible.
Este trabajo se constituye de 4 capítulos. En el primer capítulo se describe el proceso de
producción de agua caliente sanitaria, sus etapas así como algunas de las tecnologías más
empleadas para dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas que
regulan la operación de los equipos más comunes para el calentamiento de agua en el
sector doméstico en México también son explorados dentro del capítulo 1, además de una
introducción a las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines
residenciales.
El segundo capítulo explora el principio de funcionamiento de las bombas de calor, sus
características y componentes principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en
el tipo de bomba de calor que es el objeto de estudio de este trabajo, la bomba de calor
de expansión directa asistida por energía solar. Además a lo anterior, en el capítulo 2 se
xvii | P á g i n a
expone la situación actual del tipo de bomba pertinente, en cuanto al desarrollo,
normalización y métodos de prueba, a través del estado del arte.
El tercer capítulo está conformado por la descripción de una instalación experimental
correspondiente a una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar
para el calentamiento de agua. Se describen los componentes de dicho sistema, que
ejemplifica el equipo hacia el cual va dirigido el método de prueba desarrollado en este
trabajo. De igual forma se desarrolla, mediante diagramas de flujo, el procedimiento de
prueba basado en la Norma Europea 16147:2011 “Bombas de calor con compresor
accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado de equipos para agua
caliente sanitaria”, puntualizando las modificaciones necesarias para su aplicación en
sistemas de bombas de calor asistidas por energía solar. Adicional a lo anterior se expone
una metodología simplificada para la evaluación de la eficiencia térmica de una DXSAHP.
Dentro del cuarto capítulo se presentan los parámetros que influyen en el desempeño de
una DXSAHP, y que por lo mismo, se consideran necesarios para evaluar la eficiencia de
este tipo de sistemas. Empleando el modelo de simulación numérica desarrollado por el
M.C Jorge Ernesto De León Ruíz en su trabajo de tesis Modelo matemático y diseño de
una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar para calentamiento de
agua, se obtuvieron las gráficas que representan el comportamiento de estos sistemas
bajo las condiciones ambientales de la Ciudad de México.
Dichas gráficas son analizadas para exponer la influencia que supone cada uno de los
diferentes parámetros evaluados, en la eficiencia de este tipo de equipos. Finalmente se
presentan las conclusiones generales obtenidas del trabajo.
CAPÍTULO 1
TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA
En este capítulo se describe el proceso de calentamiento de agua
con fines domésticos, o producción de agua caliente sanitaria (ACS),
sus etapas así como algunas de las tecnologías más empleadas para
dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas
que regulan la operación de los equipos más comunes para el
calentamiento de agua en el sector doméstico en México también
son explorados dentro del capítulo 1, además de una introducción a
las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines
residenciales.
2 | P á g i n a
Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE
AGUA SANITARIA
1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA
El calentamiento de agua para uso doméstico, también conocido como producción de
agua caliente sanitaria (ACS por sus siglas en español), es una actividad sumamente
importante en la vida cotidiana de cualquier persona y representa uno de los mayores
consumos energéticos en todo el mundo.
En lo referente al sector residencial en México, la producción de ACS significa el 29% del
consumo de energía total (Ibrahim, O. et al, 2013) y el gasto económico que se deriva del
uso de un calentador de agua constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia
mexicana promedio, porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más importante en
el hogar (CONUEE, 2013).
Para el calentamiento de agua nos valemos de un calentador de agua que es un equipo o
dispositivo encargado de elevar la temperatura del agua mediante un aporte de energía,
cuyo objetivo es proveer de agua caliente a todos los puntos de la instalación que la
requieran.
De acuerdo a la forma de producción del agua caliente, podemos identificar dos tipos de
instalaciones: instantánea y con acumulación.
En la instalación de producción instantánea de ACS, el diseño de los intercambiadores está
determinado por el momento de máxima demanda de la instalación, es decir, el circuito
primario calienta al agua de consumo al mismo tiempo que se requiere y, como
consecuencia, es necesario el uso de bombas de circulación, para hacer fluir el agua hacia
los intercambiadores.
3 | P á g i n a
Para el caso de la instalación de producción con acumulación, el sistema mantiene una
reserva de agua caliente hasta el momento de su uso, lo cual reduce la potencia necesaria
en producción.
El sistema de servicio de ACS está conformado por los siguientes elementos: fuente de
energía calorífica, equipo de transferencia de calor, sistema de distribución de agua y
dispositivos de uso de agua caliente (ASHRAE handbook: HVAC Applications, 1999).
Existen varias fuentes de energía de donde es obtenido el calor para calentar agua, como
la quema de combustibles fósiles, energía eléctrica, energía solar, entre otros.
El equipo de transferencia de calor puede ser de dos tipos: directo e indirecto; los tanques
de almacenamiento pueden estar asociados con cualquier tipo de equipo de transferencia
de calor, o ser parte de ellos.
Para los equipos de tipo directo, el calor es obtenido de la quema de algún combustible, o
de una conversión directa de energía eléctrica a calorífica realizada dentro del mismo
equipo de transferencia de calor.
En cuanto a los equipos de transferencia de calor indirecta, la energía calorífica es
obtenida de fuentes de calor remotas, como boiler, captación de energía solar,
cogeneración, refrigeración o calor residual, y transferida al agua valiéndose de un equipo
de transferencia de calor adicional.
Los sistemas de distribución se encargan de transportar el agua caliente del equipo de
calentamiento a los equipos de consumo de agua caliente, que son accesorios de plomería
y equipos que requieren un flujo de agua caliente, ya sea constante o irregular, cuyo
4 | P á g i n a
consumo de agua se encuentra relacionado con el inmueble en el que se encuentran, las
aplicaciones de proceso, y las preferencias del usuario.
Para lugares que requieren de un suministro constante de agua a una temperatura
deseada, es importante considerar tubería de circulación o un dispositivo de ayude a
mantener el calor.
Los diferentes tipos y diseños de calentadores de agua se basan en la fuente de energía, la
aplicación de la energía para el calentamiento de agua y el método de control utilizado
para distribuir el agua caliente necesaria a la temperatura requerida bajo condiciones de
demanda variables.
La aplicación de un dispositivo de calentamiento de agua al diseño del sistema completo
de producción de ACS se basa en la ubicación del equipo con respecto al sistema, la
temperatura requerida del agua caliente y la cantidad de agua a utilizar.
Existen varias tecnologías para el calentamiento de agua sanitaria que se distinguen entre
sí por el combustible o fuente de energía que explotan. Actualmente en México, los
calentadores de agua más empleados son aquellos que utilizan gas L.P. o gas natural como
combustible, no obstante se están desarrollando y promoviendo nuevos sistemas de
calentamiento de agua sanitaria, con la finalidad de minimizar el gasto de combustibles
fósiles y reducir así el impacto ambiental derivado del mismo; entre estos podemos
mencionar a las bombas de calor, los colectores solares y los llamados calentadores
híbridos: colectores solares que integran a su sistema un calentador de gas como equipo
de apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de
agua caliente.
5 | P á g i n a
1.1.1 CALENTADORES SOLARES
Un calentador solar es aquel equipo que obtiene de la energía solar, la energía que
requiere para elevar la temperatura del agua y producir ACS. Este tipo de sistema está
formado por un colector solar, y un tanque de almacenamiento del agua caliente.
El primer calentador solar comercial fue el llamado “Clímax”, patentado por Clarence M.
Kemp en 1891. Estaba formado por cuatro tanques tubulares de metal aislados entre sí
por separadores de cartón, colocados dentro de una caja de madera de pino cubierta por
una tapa de vidrio Figura 1 (California Solar Center, 2015)
Sin embargo fue hasta 1909 que surgió un calentador solar capaz de almacenar el agua
caliente y no sólo producirla. William Bailey creó un calentador en el cual empleaba tubos
estrechos para almacenar el agua, en lugar de un tanque grande, lo que le permitía al
agua conservar su calor por más tiempo. El calentador de Bailey, mostrado en la Figura 2,
contenía todos los elementos que son utilizados en las instalaciones actuales: un colector
solar de placa plana con un panel de absorción y un tanque de almacenamiento de agua
colocado a una altura superior que la del colector (Frid, S. E. et al, 2012).
Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891
6 | P á g i n a
Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909
Los calentadores solares de agua pueden ser clasificados en dos categorías: activos y
pasivos. En los sistemas activos, se utiliza un sistema mecánico para hacer circular el fluido
de trabajo, mientras que los sistemas pasivos utilizan gradientes de densidad.
Los sistemas activos pueden ser directos o indirectos. Se dice que son directos, o de lazo
abierto, cuando el fluido de trabajo que se hace circular a través de los colectores solares,
empleando una bomba, es el agua que se requiere calentar. Se llaman indirectos o de lazo
cerrado cuando el fluido de trabajo es un refrigerante que se bombea hacia los colectores
para absorber el calor que será transferido al agua mediante un intercambiador de calor.
Los sistemas pasivos se dividen a su vez en dos: almacenadores con colector integrado y
sistemas de termosifón.
Los almacenadores con colector integrado son sistemas que cuentan con un tanque que
desempeña tanto la función de colector solar, como el de almacenamiento de ACS,
mientras que en los sistemas de termosifón, el tanque almacenador y el colector solar son
dos unidades separadas físicamente, a través de las cuales la transferencia de calor se da
por convección natural y pueden ser también directos o indirectos.
7 | P á g i n a
1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO
El colector es el componente principal en los calentadores solares, ya que es el dispositivo
encargado de absorber la energía proveniente de la radiación solar que incide sobre su
superficie, convirtiéndola en energía térmica que transfiere por contacto, ya sea
directamente al agua (sistema directo), o a un fluido de trabajo, el cual a su vez transfiere
el calor ganado hacia el agua sanitaria para incrementar su temperatura (sistema
indirecto).
En un sistema directo o de lazo abierto, el agua fría ingresa al colector, para
posteriormente aumentar su temperatura debido al aporte de calor que le es
suministrado. El agua ya caliente tiende a subir debido a las fuerzas de flotación por los
gradientes de densidad, y se dirige al depósito de almacenamiento que siempre es
colocado por encima del colector, para recolectar el agua caliente producida (Figura 3).
Un colector solar debe ser instalado de acuerdo a la zona geográfica en la que se
encuentra, con una orientación y ángulo de inclinación específicos para optimizar la
captación de radiación solar. Debe estar orientado con su eje longitudinal en dirección
este-oeste, y su inclinación depende de la latitud de la instalación (Dalpasquale, V. A. et al,
1991).
Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo
8 | P á g i n a
En una instalación realizada en la Ciudad de México, que se encuentra en el hemisferio
norte y con una latitud de 19° 24´N (INEGI, 1991), el colector solar deberá ser posicionado
con vista hacia el sur y con un ángulo de inclinación de 19° aproximadamente.
Existen varios tipos de colectores solares:
Colectores de placa plana: con cubierta o sin cubierta.
Colectores de tubos evacuados
Concentradores parabólicos
Los colectores de placa plana con cubierta se encuentran equipados con un aislamiento y
cajas resistentes a la intemperie que contienen una placa de absorción obscura,
normalmente de color negro mate, bajo una o varias cubiertas de vidrio o plástico,
encargadas de permitir la penetración de la radiación solar hacia la placa de absorción y
mantener la ganancia térmica (Figura 4).
Los colectores de placa plana sin cubierta tienen una placa de absorción obscura de metal
o plástico sin ningún tipo de cubierta, como el que se muestra en la Figura 5.
Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta
9 | P á g i n a
Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN)
Los colectores de tubos evacuados están formados, como su nombre lo indica, por un
tubo exterior de vidrio compuesto por dos capas y un tubo central de alimentación a
través del cual circula el fluido de trabajo. Las capas del tubo exterior, se encuentran
separadas por un espacio vacío; la capa interna es la placa absorbente mientras que la
capa externa funciona como cubierta (Figura 6).
Esta configuración propicia una mejor captación de radiación solar con una baja
emisividad de la superficie absorbente y la presencia del espacio vacío entre capas, lo que
evita que se presenten problemas de congelación del agua (Ibrahim, O. et al, 2013). En la
Figura 7 se puede observar un colector solar de tubos evacuados.
Figura 6 Estructura de un tubo evacuado
10 | P á g i n a
Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY)
Los concentradores parabólicos reciben ese nombre debido a que, mediante superficies
de espejos con forma parabólica, reflejan y centralizan los rayos solares en un tubo
absorbedor, que corre a lo largo de la longitud del concentrador (Figura 8). En el interior
del tubo absorbedor, se hace circular al fluido de trabajo que absorbe el calor por
contacto directo. El fluido de trabajo normalmente es una mezcla de agua y
anticongelante, ya que en este tipo de colector solar, a diferencia de los colectores de
placa plana y de tubos evacuados, es posible alcanzar temperaturas de hasta 400°C
(Ibrahim, O. et al, 2013).
Figura 8 Concentrador parabólico
11 | P á g i n a
El uso de este colector se encuentra limitado a zonas geográficas que cuenten con poca o
nula nubosidad la mayor parte del año debido a que obtienen el calor que requieren de la
incidencia directa de los rayos solares. Es por esto que cuentan con un sistema de
seguimiento de la trayectoria solar para garantizar que la superficie reflejante se
encuentre viendo al sol en todo momento del día, lo que los hace más complejos y
costosos, por lo que son empleados principalmente en procesos industriales y para
generación de energía eléctrica.
1.1.1.2 NORMAS VIGENTES
Las normas vigentes aplicables a los calentadores solares que se distribuyen en México
son las Normas mexicanas NMX-ES-001-NORMEX-2005 y NMX-ES-004-NORMEX-2010.
Estas normas son expedidas por la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.
C (NORMEX), que forma parte de los Organismos Nacionales de Normalización (ONN),
organizaciones privadas encargadas de elaborar y emitir normas de carácter voluntario en
nuestro país (Medina Monroy, M. G. A, 2013). Esto quiere decir que no existe actualmente
una norma oficial mexicana (NOM) que obligue a los fabricantes de equipos para
calentamiento de agua sanitaria que emplean la energía solar como fuente de energía
primaria, para regular y garantizar un funcionamiento adecuado y seguro de los mismos.
1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad
de colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y
etiquetado
Esta norma se encarga de establecer los métodos de prueba para la obtención del
rendimiento térmico de los colectores solares comercializados en México que
proporcionen ACS en fase líquida, así como su etiquetado. Es elaborada con la finalidad de
12 | P á g i n a
promover el uso de la radiación solar como fuente principal de energía para la producción
de ACS, y de esta forma contribuir a la disminución de las emisiones contaminantes
derivadas del consumo de combustibles fósiles.
1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas
solares para calentamiento de agua. Método de prueba
Esta norma establece el método de prueba para la evaluación y comparación del
desempeño térmico de los sistemas de uso doméstico, que utilizan la energía solar como
fuente de energía para el calentamiento de agua sanitaria. A diferencia de la NMX-ES-001-
NORMEX-2005, cuyo campo de aplicación se limita a los colectores solares, ésta norma
considera a los sistemas solares que funcionan mediante circulación forzada o natural, a
partir de colectores solares planos, de tubos evacuados, auto contenidos, o con
concentradores parabólicos compuestos.
1.1.2 CALENTADORES DE GAS
En un calentador a gas o calentador de gas, la energía calorífica requerida para la
producción de agua caliente sanitaria proviene de la quema de combustibles fósiles,
específicamente, del gas natural y el gas L. P.
Está formado por la cámara de combustión, el intercambiador de calor, el quemador, el
piloto, un tubo de humo por donde salen los gases derivados de la combustión y un
aislamiento térmico, además de un sistema de control automático de temperatura
(integrado por un termostato y un termopar) y un sistema de encendido por presión. En
la Figura 9 se muestra un diagrama de los componentes principales.
13 | P á g i n a
Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico
Un calentador de gas de acuerdo a su funcionamiento puede ser de tres tipos (NOM-003-
ENER-2011, 2011):
Calentador de almacenamiento
Calentador de rápida recuperación
Calentador instantáneo
En un calentador de almacenamiento, se cuenta con un tanque que contiene, de acuerdo
a su capacidad, una cierta cantidad de agua caliente disponible en todo momento,
mientras que en un calentador instantáneo, no se requiere de un tanque de depósito, ya
que cuenta con un serpentín a través del cual fluye el agua que se va calentando en
función del caudal que se demande (Tecnos, 2014).
14 | P á g i n a
El calentador de rápida recuperación funciona de la misma forma que el calentador
instantáneo, sólo que utiliza uno o varios intercambiadores de calor en vez de un
serpentín, además de un pequeño depósito con el cual mantienen el agua a una
temperatura uniforme, y cuando se encienden la calientan de manera continua.
1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO
El piloto es el dispositivo en el que se produce la flama que enciende al quemador, a
través del cual penetra una mezcla de aire y gas, que al entrar en contacto con la flama
produce la combustión. Este proceso se lleva a cabo dentro de la cámara de combustión,
que se encuentra dentro de un tanque aislado con el exterior.
El sistema de control de temperatura está formado por un termostato que se encarga de
regular la cantidad de combustible en el quemador de acuerdo a la temperatura del agua,
obtenida a través de un termopar. Se cuenta también con una válvula de alivio de presión
para asegurar la salida de los gases de combustión que se liberan hacia la atmósfera por
medio del tubo de humo.
En un calentador de gas de almacenamiento, el calor que se produce por la quema del gas
es aprovechado para elevar la temperatura del volumen de agua que se encuentra en el
tanque de almacenamiento. En el calentador de tipo instantáneo, el agua no es
almacenada para ser calentada, sino que en ésta configuración, el agua fluye por dentro
de un tubo llamado serpentín, que se encuentra en contacto con los gases de combustión
y de ésta forma le es transmitido el calor (Figura 10).
15 | P á g i n a
Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo
1.1.2.2 NORMAS VIGENTES
Al ser la tecnología para calentamiento de agua más empleada en México, la existencia de
normas oficiales que regulen los calentadores de agua a gas es imperativa, así como la
continua actualización y verificación de las mismas.
Actualmente se cuenta en México con las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) NOM-003-
ENER-2011 y la NOM-011-SESH-2012 que, a diferencia de las NMX, son de carácter
obligatorio y son expedidas por dependencias públicas (Subsecretaría de Fomento y
Normatividad Ambiental, 2015).
16 | P á g i n a
1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso
doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado
Debido a la necesidad de incrementar el ahorro de energía mediante el uso de equipos de
calentamiento de agua de mayor eficiencia térmica y calidad, ésta norma establece los
niveles de eficiencia térmica mínima con la deben contar los calentadores de agua, ya
sean domésticos o comerciales, cuyo combustible sea el gas L.P. o gas natural.
De igual forma establece el método de prueba para la obtención de la eficiencia térmica y
los requisitos mínimos con los que debe cumplir el etiquetado comercial para ofrecer a los
consumidores la información necesaria para una adquisición satisfactoria del equipo.
1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que
utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad,
especificaciones, métodos de prueba, marcado e información comercial
(Cancela a la NOM-020-SEDG-2003)
Ésta norma contiene, al igual que la NOM-003-ENER-2011, los requerimientos mínimos
para garantizar el correcto funcionamiento de un calentador de gas, pero adiciona los
requisitos de seguridad que deben ser contemplados en éstos equipos.
17 | P á g i n a
1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS
Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico
El principio de funcionamiento de un calentador eléctrico es el Efecto Joule. Estos
dispositivos constan de un tanque de almacenamiento con una resistencia eléctrica en su
interior. La resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica, genera el calor que
es disipado hacia el agua e incrementa su temperatura. En la Figura 11 se muestran los
componentes de un calentador eléctrico.
1.1.4 BOMBAS DE CALOR
Una bomba de calor aplicada al calentamiento de agua sanitaria, es un dispositivo que
transfiere al agua la energía térmica que absorbe de un medio llamado zona fría o región
de baja temperatura, valiéndose de un aporte de trabajo. En este sistema de
calentamiento de agua, el calor que se requiere puede ser obtenido de varias fuentes,
como del aire exterior, mantos acuíferos, capas freáticas, y de la radiación solar.
18 | P á g i n a
Es una máquina térmica que funciona mediante un ciclo de compresión mecánica, por lo
que sus componentes principales son: un compresor, un intercambiador de calor, un
elemento de expansión, y un evaporador. Aunque es una tecnología que comenzó a
desarrollarse y comercializarse desde hace varias décadas, en países como México aún se
encuentra emergiendo a pesar de sus grandes ventajas ecológicas y potencial térmico.
El proceso de producción de ACS se conforma de varias etapas, además de que dentro del
mismo se ven involucrados varios factores y elementos que decretan la naturaleza de
dicho proceso, siendo el calentador el componente principal dentro del mismo, por lo que
su selección es determinante.
La selección de un calentador de agua depende mayormente de las necesidades del
usuario, influidas por la región en la que se encuentra, además de sus posibilidades
financieras. Aunque existen varias tecnologías de calentamiento de agua para el sector
residencial, el calentador a base de gas sigue siendo el más utilizado, a pesar de sus
desventajas ambientales, debido a su bajo costo de inversión inicial y popularidad.
Actualmente se encuentran en desarrollo otros equipos que proponen el
aprovechamiento de energías renovables, como la energía solar y el calor del medio
ambiente, para disminuir la producción de gases de combustión dañinos para el medio
ambiente al momento de producir agua caliente.
Sin embargo hace falta una mayor promoción y difusión de estos equipos, en conjunto con
normas oficiales que regulen su operación, para que el usuario conozca las ventajas de
otras tecnologías disponibles para el calentamiento de agua.
19 | P á g i n a
CAPÍTULO 2
BOMBAS DE CALOR
Dentro de este capítulo se presenta el principio de funcionamiento
de las bombas de calor, sus características y componentes
principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en la
bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, que
es el objeto de estudio. Además de lo anterior, en el segundo
capítulo se expone, a través del estado del arte, la situación actual
de los estudios realizados sobre el tipo de bomba pertinente en
cuanto a su desarrollo, así como su normalización y métodos de
prueba.
20 | P á g i n a
Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR
2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR
Una bomba de calor es una máquina térmica que transfiere energía en forma de calor de
una región de baja temperatura a una región de alta temperatura mediante un aporte de
trabajo y utilizando un fluido hacia y desde el cual transfiere el calor, llamado fluido de
trabajo. Su principal función es la de mantener la temperatura de algún espacio,
estructura o edificio, superior o inferior a la temperatura de sus alrededores. Figura 12.
El objetivo del ciclo de una bomba de calor es el de transportar el calor de salida hacia la
región de alta temperatura, es decir, el espacio que será calentado. En estado
estacionario, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, tenemos que: la energía
que se suministra a la región de alta temperatura por la transferencia de calor (𝑄𝑎), es
igual a la suma de la (𝑄𝑏), más la diferencia del trabajo de entrada o trabajo
suministrado neto (𝑊) (2.1). (Moran, M. J. et al, 2011).
|𝑄𝑎| = |𝑊| + 𝑄𝑏 (2.1)
Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor
21 | P á g i n a
La segunda ley de la termodinámica, predice la dirección de los procesos termodinámicos,
establece condiciones de equilibrio y determina los mejores desempeños teóricos de
ciclos y máquinas térmicas, por lo que aplicándola, podemos encontrar la ecuación para
representar los coeficientes máximos teóricos de operación (COP) para una bomba de
calor que opera entre dos regiones de temperatura, para su ciclo de refrigeración y el de
calefacción.
Para una bomba operando bajo el ciclo de Carnot, en su ciclo de calefacción, el coeficiente
de operación se expresa en la ecuación. (2.2).
𝐶𝑂𝑃 = |𝑄𝑎|
𝑊 Ec. (2.2)
Este coeficiente expresa la relación entre la energía térmica cedida y la energía eléctrica
absorbida por la máquina térmica. Para bombas de calor comercializadas en la Unión
Europea, el COP es medido con el equipo operando bajo condiciones regularizadas
establecidas en normas (EN 255/EN 14512/EN 16147). (Dimplex, 2015)
2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES
Los fluidos de trabajo empleados en los sistemas de refrigeración, dentro de los cuales
encontramos a las bombas de calor, son los refrigerantes.
Los refrigerantes son sustancias encargadas de absorber, transportar y rechazar calor a
través de un cambio de fase. Mediante su evaporación, el refrigerante absorbe el calor de
una zona para transportarlo y cederlo a otra zona, esta vez por medio del proceso de
condensación del mismo. Este cambio de fase del refrigerante se presenta en los ciclos de
refrigeración por compresión mecánica y compresión por absorción.
22 | P á g i n a
Se identifican por su fórmula química o su nomenclatura alfanumérica, que parte de la
fórmula química de cada refrigerante, siendo la segunda la más empleada.
Existen varios tipos de refrigerantes, clasificados de acuerdo a su composición química y a
sus propiedades.
Las propiedades del refrigerante influyen directamente en el diseño de un equipo de
refrigeración o bomba de calor, es por esto que se toman en cuenta ciertos parámetros en
la selección del refrigerante.
Los factores principales que intervienen en la selección de un refrigerante son:
Seguridad: La estabilidad química bajo las condiciones de uso de un refrigerante
es la característica más importante. Evitar riesgos de toxicidad e inflamabilidad.
Impacto ambiental: Su contribución a la degeneración de la capa de ozono e
influencia en el calentamiento global.
Rendimiento térmico: Propiedades físicas y termodinámicas del refrigerante.
SEGURIDAD
La Sociedad Americana de Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción, ASHRAE por
sus siglas en inglés, ha establecido una clasificación alfanumérica de seguridad del uso de
un refrigerante en su norma ANSI/ASHRAE Standard 34, en base a la inflamabilidad y la
toxicidad de los refrigerantes. Figura 13.
A cada refrigerante se le asignada una letra (A o B) de acuerdo a la toxicidad que
manifiestan en concentraciones de hasta 400 mL/m3, obteniendo la letra A cuando son
considerados no tóxicos. Cuando se presenta evidencia de toxicidad se les sitúa en el
grupo B.
23 | P á g i n a
Para la clasificación de inflamabilidad, se establecen 3 clases:
1: Para los refrigerantes que en aire, bajo condiciones de 18°C a 101 kPa, no presentan
propagación de flama.
2: Los refrigerantes con un límite de inflamabilidad inferior (Lower Flammability Limit, LFL)
mayor a 0.10 kg/m3 bajo condiciones de 21°C a una presión de 101 kPa, o con un calor de
combustión menor a 19 000 kJ/kg.
3: Los refrigerantes altamente inflamables, con un LFL menor o igual a 0.10 kg/m³ a 21°C y
101kPa, o con un calor de combustión igual o mayor a 19 000 kJ/kg.
Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34
24 | P á g i n a
Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma ANSI/ASHRAE 34
En la Figura 14 se muestran algunos refrigerantes y el grupo de seguridad al que
pertenecen de acuerdo a la clasificación de seguridad del ANSI/ASHRAE Standard 34, y se
puede observar que el refrigerante R134a se encuentra clasificado en el grupo de mayor
seguridad.
IMPACTO AMBIENTAL
El impacto ambiental, como su nombre lo indica, nos da una referencia sobre los efectos
negativos que significan el uso de un determinado refrigerante sobre el medio ambiente,
específicamente el daño que generan a la capa de ozono, expresado mediante el
Potencial de Agotamiento de la capa de ozono (ODP, por sus siglas en Inglés) y su
contribución al calentamiento global, la cual es indicada por el Potencial de Calentamiento
Global (GWP, por sus siglas en inglés).
El ODP expresa el impacto que cierta masa de una sustancia origina sobre la capa de
ozono con relación al impacto efectuado por la misma cantidad de masa del CFC-11 (R11).
Debido a que dicha sustancia es la que mayor potencial de destrucción de ozono tiene al
25 | P á g i n a
contener 3 átomos de Cloro en su molécula, es considerado para ésta un valor de ODP = 1.
El Cloro, al ser liberado en la estratósfera destruye el ozono, es por esto que los
refrigerantes que no contienen Cloro en su molécula, como los HFC
(Hidrofluoroclarbonos), entre ellos el R134a, cuentan con un ODP=0.
El GWP relaciona el calentamiento global ocasionado por una cierta cantidad de sustancia
con respecto al calentamiento producido por una masa similar de dióxido de carbono en
un periodo de tiempo determinado, por lo que el ODP del CO2 es considerado igual a 1. El
Potencial de Calentamiento Global del refrigerante R134a es de 1430.
Debido a su gran estabilidad molecular, los CFC se mantienen presentes en la atmósfera
durante muchos años, para eventualmente difundirse en la estratósfera, donde sus
moléculas se separan, liberando Cloro, elemento químico que contribuye en gran medida
a la destrucción progresiva de la capa de ozono. En la atmósfera baja sus efectos no son
menos significativos, ya que sus moléculas absorben la radiación infrarroja, contribuyendo
al calentamiento global.
En los HFC, un átomo de hidrógeno es sustituido por uno o más de los halógenos de una
molécula de CFC, lo cual disminuye el tiempo de vida del refrigerante en la atmósfera y
por lo tanto disminuyen en igual medida su impacto ambiental.
El Protocolo de Montreal es un acuerdo internacional creado con la finalidad de controlar,
e inclusive en un futuro erradicar, la producción y uso de sustancias que contribuyen a la
degeneración de la capa de ozono, incluyendo los refrigerantes que contienen Bromo y/o
Cloro en sus moléculas, como es el caso de los CFC y los HCFC.
26 | P á g i n a
RENDIMIENTO TÉRMICO
El rendimiento térmico de un refrigerante se refiere a su capacidad de proporcionar, de
forma rentable y confiable, el enfriamiento o calentamiento requeridos por el sistema,
está expresado en base a las propiedades termo-físicas del refrigerante y es asociado
directamente con la eficiencia térmica del equipo.
Algunas de las propiedades físicas más utilizadas de un refrigerante son: masa molecular,
punto de ebullición, punto de congelamiento, temperatura crítica, presión crítica,
volumen crítico, índice de refracción del líquido. De las cuales la más importante es el
punto de ebullición, ya que es la que determina directamente el rango de temperaturas
de uso de un refrigerante.
Otro factor importante que se debe considerar al utilizar un refrigerante es su
compatibilidad con los materiales empleados en la construcción del sistema de
refrigeración, ya que bajo ciertas condiciones de uso, determinados materiales pueden
afectar las propiedades del fluido de trabajo. Otro caso que puede presentarse es la
destrucción de ciertos materiales por su incompatibilidad con los refrigerantes, como
sucede con el cobre (Cu) y el Amoníaco (NH3).
2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR
Existen varios tipos de bombas de calor clasificadas de acuerdo a: los mecanismos de
transmisión utilizados, a los fluidos portadores de calor utilizados, así como también, de
acuerdo al tipo de fuente empleada para accionar el compresor, y a su construcción.
Las bombas de calor por compresión de vapor son las más comunes y son usadas en
aplicaciones de calefacción de espacios generalmente.
27 | P á g i n a
De acuerdo a los fluidos portadores de calor, tenemos:
Bomba de Calor aire-aire: El calor es obtenido del aire exterior y es transferido al
aire de la región que requiere calefacción o refrigeración.
Bomba de Calor aire-agua: El calor se obtiene del aire y se transfiere a un depósito
o circuito de agua que abastecerá una superficie (suelo, techo, piscina) o un
dispositivo (radiador) de agua caliente o fría, según se requiera.
Bomba de Calor geotérmica: En este tipo de bomba, la energía se obtiene del calor
del suelo, más específicamente, de cuatro fuentes: suelo superficial, lecho de roca,
aguas freáticas y aguas superficiales (lagos y ríos). Utilizan la temperatura
relativamente constante a lo largo del año de dichas fuentes para obtener calor de
ellas en temporadas frías, y para transferirle calor en temporadas calientes.
Encontramos dos tipos de configuraciones según su construcción: vertical y
horizontal.
Dentro de este tipo de bombas encontramos:
o Bomba de Calor agua-agua / agua-aire: El calor se obtiene de un circuito o
depósito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el
calor para transferirlo a otro circuito o depósito de agua (agua-agua) o bien,
directamente al aire de un espacio (agua-aire).
En este ejemplo de bomba de calor, las fuentes de energía son:
Aguas freáticas: Para esta opción se requiere la construcción de una
bomba de tipo vertical, y dos pozos, en uno de los cuales se
absorberá el calor y otro al cuál se cederá el calor.
28 | P á g i n a
Aguas superficiales: Se obtiene la energía de grandes depósitos de
agua, como lagos y se utiliza una construcción horizontal.
o Bomba de Calor suelo-aire / suelo-agua: Son bombas de calor que
transfieren el calor del suelo para calefacción y refrigeración de espacios
(suelo-aire) y/o depósitos de agua (suelo-agua).
Cuando la energía se obtiene de:
Lecho de roca: Se capta la energía almacenada en el suelo profundo
mediante un colector vertical.
Suelo superficial: La energía que absorbe la capa superficial del
suelo, del sol, la lluvia y el aire, es recolectada por un colector
horizontal.
Bomba de Calor solar-aire: Aprovechan la energía solar como fuente de calor para
usos de calefacción de espacios a través de corrientes de aire.
Bomba de Calor solar-agua: Absorben calor de la energía solar para calentar
circuitos o circuitos de agua.
Clasificándolas de acuerdo a la fuente para accionar el compresor:
Bomba de Calor eléctrica: Como su nombre lo indica, el compresor opera usando
un motor eléctrico.
29 | P á g i n a
Bomba de Calor con motor térmico: Se utiliza un motor de combustión de gas o de
algún líquido para hacer funcionar el compresor.
Según su construcción, encontramos:
Bomba de Calor compacta: Este tipo de bomba se llama así porque todos su
elementos se encuentran en un mismo compartimento.
Bomba de Calor partida (Split): Cuenta con un módulo exterior y otro interior en
donde generalmente se localiza la válvula de expansión y el compresor.
Multi Split: Sus componentes se encuentran divididos en una unidad exterior y en
varias interiores.
Cuando una bomba de calor obtiene calor, no únicamente de una fuente de energía,
encontramos a las llamadas bombas de calor híbridas. Entre ellas están:
Bomba de Calor asistida por energía solar (SAHP)
Este tipo de bombas pueden clasificarse a su vez en sistemas de expansión directa y
sistemas de expansión indirecta.
o Bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP)
En la expansión directa, refrigerante absorbe la energía solar mediante su paso por el
colector, que desempeña al mismo tiempo la función del evaporador, combinados en un
solo elemento. De esta forma, el fluido de trabajo abandona el colector/evaporador en
estado gaseoso.
o Bomba de calor de expansión indirecta asistida por energía solar (IDXSAHP)
30 | P á g i n a
En este tipo de sistemas, el intercambio de energía entre el refrigerante y el agua a
calentar se lleva a cabo de forma indirecta, mediante el uso de un fluido intermedio
portador de calor. A su vez, estos equipos pueden tener diferentes tipos de
configuraciones:
Sistema en serie
Sistema en paralelo
Sistema dual
Otras bombas de calor son:
Bombas de absorción: emplean un refrigerante, y como su nombre lo dice, un
absorbente. Realizan una compresión térmica, en vez de una compresión
mecánica, como la mayoría de las bombas de calor, y su ciclo termodinámico
depende de las propiedades de su absorbente y capacidad para atraer el fluido
refrigerante.
Bombas de calor por adsorción: utilizan la fijación de las partículas de un fluido a la
superficie de un sólido, el cual recibe el nombre de adsorbente, como sustituto de
un trabajo mecánico. No realizan un ciclo continuo, por lo que se puede considerar
que trabajan bajo dos ciclos, el de carga y el de descarga.
2.4 FUNCIONAMIENTO
Una bomba de calor está compuesta por: compresor, condensador, válvula de expansión y
evaporador, además de una válvula inversora de ciclo en algunos casos.
El fluido de trabajo en estado de vapor a baja temperatura transita por en el compresor,
que incrementando su presión, aumenta su energía interna y por tanto también su
temperatura. El fluido caliente se dirige al condensador, en el cual cede su calor a la región
31 | P á g i n a
de alta temperatura, logrando una condensación parcial del fluido para posteriormente
hacerlo pasar por la válvula de estrangulamiento o válvula de expansión, en donde
experimenta un proceso de estrangulamiento, o pérdida de presión, que deriva en una
pérdida de temperatura hasta que ésta regresa a su valor inicial. Para absorber calor
nuevamente de la llamada región de baja temperatura, el fluido de trabajo pasa por el
evaporador y el ciclo vuelve a comenzar. Para los equipos que cuentan con una válvula
inversora de ciclo, ésta se encuentra a la descarga del compresor, y como su nombre lo
indica, su función es invertir el ciclo en caso de ser requerido, mediante la transformación
del evaporador en el condensador y viceversa. Figura 15.
La eficiencia máxima depende únicamente de la temperatura de condensación y de
evaporación, por lo que a menor diferencia entre ambas temperaturas, mayor será la
eficiencia, y a mayor temperatura de evaporación más alto será el valor de dicha eficiencia
máxima.
Figura 15 Diagrama de una bomba de calor reversible
32 | P á g i n a
Mientras que la temperatura de la región de baja temperatura disminuye, el coeficiente
de operación de una bomba de calor de Carnot disminuye.
La Figura 16 es un Diagrama p-h que representa el proceso que experimenta el fluido de
trabajo (refrigerante) en un ciclo ideal de una bomba de calor por compresión de vapor.
De 1-2, el fluido pasa por la etapa de evaporación a presión constante.
En esta etapa, el fluido de trabajo absorbe calor de la región de baja temperatura,
aumentando su entalpía y sufriendo un cambio de fase de líquido a gas (vapor saturado).
De 2-3 se lleva a cabo la compresión y aumenta la presión del fluido, al igual que su
temperatura y entalpía, pasando de vapor saturado a vapor sobrecalentado. La etapa de
3-4 corresponde al paso por el condensador, en donde cede el calor a la región de alta
temperatura, regresa a su estado líquido y disminuye su temperatura. De 4-1 se observa
una disminución de presión abrupta al pasar por la válvula de expansión, donde el fluido
de trabajo, regresa a su condición inicial de presión y temperatura, para comenzar de
nuevo el ciclo.
Figura 16 Diagrama p-h del ciclo ideal de una bomba de calor
33 | P á g i n a
Figura 17 Diagrama T-s del ciclo ideal de una bomba de calor
En la Figura 17 se expone el diagrama T-s que muestra el comportamiento de un fluido de
trabajo que experimenta un ciclo ideal de bomba de calor por compresión de vapor. De 1-
2 el fluido es calentado, al pasar por el evaporador, a temperatura constante,
convirtiéndose en vapor saturado. De 2-3 hay un aumento de temperatura isentrópico, y
un aumento de presión al pasar por el compresor, para salir como vapor sobrecalentado.
De 3-4 pasa por el condensador donde es enfriado a temperatura y presión constante,
para salir como líquido saturado. De 4-1, la válvula de expansión disminuye la presión de
fluido hasta la presión de vaporización, de igual forma que su temperatura, para que el
fluido vuelva a comenzar el ciclo.
2.5 BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR
(DXSAHP)
La bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (de ahora en adelante
DXSAHP) suele ser abreviada de acuerdo a su nombre en inglés, Direct Expansion Solar
Assisted Heat Pump.
34 | P á g i n a
Este tipo de equipo aplicado al calentamiento de agua sanitaria es el sistema propuesto a
evaluar en el presente trabajo debido a sus características principales, que son: la
expansión directa y el uso de la energía solar como fuente de energía primaria.
Una ventaja de los sistemas de expansión directa es que, como su nombre lo dice, el
intercambio de calor se realiza directamente dentro del colector/evaporador combinados
en un mismo equipo, en donde el refrigerante absorbe la energía necesaria de la radiación
solar que incide sobre el evaporador.
Al valerse de la energía solar, se hace evidente el rasgo más atractivo de estos sistemas, ya
que al funcionar principalmente con un tipo de energía renovable, las ventajas
ambientales que derivan de su uso se magnifican.
La DXSAHP cuenta con dos circuitos, el circuito primario correspondiente al ciclo de
refrigeración y el circuito secundario que corresponde al módulo hidráulico.
El sistema de refrigeración, al igual que la mayoría de las bombas de calor, funciona
mediante un ciclo por compresión mecánica, por lo que además del colector/evaporador,
está compuesta esencialmente por un compresor, un condensador y una válvula o
dispositivo de expansión, como se muestra en la Figura 18.
Del punto 4 al 1, el refrigerante absorbe calor de la radiación solar a través de su paso por
el colector/evaporador mediante una expansión directa, y sale con una mayor
temperatura en forma de gas para dirigirse al compresor (del punto 1 al 2), en donde
aumenta su presión junto con su temperatura, para posteriormente realizar el
intercambio de calor entre el fluido de trabajo y el agua sanitaria (módulo hidráulico) en el
condensador (del punto 2 al 3). A la salida del condensador, del punto 3 al 4, el
refrigerante se encuentra parcialmente condensado y a una menor temperatura para
dirigirse a la válvula de expansión.
35 | P á g i n a
Figura 18 Componentes principales de una DXSAHP
El circuito secundario (sección izquierda de la Figura 18) no forma parte del ciclo de
refrigeración per se, sin embargo es un módulo fundamental dentro del proceso. Es en
donde circula el agua y está formado por un contenedor de agua (tanque de
almacenamiento del agua caliente), y una bomba hidráulica que procura el flujo necesario
de agua. En algunos casos se cuenta con una fuente de energía auxiliar que suele ser una
resistencia eléctrica para mantener la temperatura útil del agua caliente sanitaria.
2.6 ESTADO DEL ARTE
La idea de obtener un incremento en la eficiencia térmica de una bomba de calor
mediante el uso de una fuente de energía renovable y gratuita, como lo es la radiación
solar, fue concebida por Sporn y Ambrose en los años cincuenta (Krockenberger, K. et al,
2014), dando origen al concepto de Bomba de calor de expansión directa asistida por
energía solar (DXSAHP), que emplea tanto el calor del aire ambiente como el de los rayos
solares como fuente de energía.
36 | P á g i n a
Desde entonces se han llevado a cabo numerosos estudios, en diversas partes del mundo,
sobre el comportamiento de este tipo de equipos aplicados tanto al calentamiento de
agua sanitaria como a la calefacción y refrigeración de espacios en el sector residencial.
La relación entre el Coeficiente de desempeño (COP) del equipo y los parámetros que
influyen en su comportamiento, entre los cuales se encuentran las condiciones climáticas
y atmosféricas como las más importantes, ha sido evaluada por varios autores (Kugle et al
(1983); Nilufer –Egrican (1990); Chaturvedi et al (1996); Ito et al (1998); Hulin et al (1999);
Hawlader et al (2000); Huang y Chyng (2001); Naldi et al (2014)).
Yumrutas y Kaska (2004) evaluaron el desempeño de una DXSAHP, con almacenamiento
de energía, bajo las condiciones climáticas de la ciudad de Gaziantep en Turquía, y
encontraron que el COP del sistema es directamente proporcional a la temperatura de la
fuente de calor, que es función directa de la radiación solar. De forma similar en España,
Moreno Rodríguez et al (2012), mediante un modelo teórico aplicado al calentamiento de
agua, estudiaron la dependencia total entre el desempeño del equipo y las condiciones
climáticas, además de la influencia de la selección del refrigerante. A su vez, Chaturvedi et
al (2013) analizaron la viabilidad económica de una DXSAHP para calentar agua, mediante
un análisis termo económico bajo las condiciones climáticas de Norfolk, Virginia EUA,
encontrando que su uso es más eficiente en comparación con los calentadores eléctricos.
Chaturvedi et al (2008) encontraron que el COP alcanzado por el equipo es inversamente
proporcional a la diferencia de temperaturas entre los intercambiadores de calor y que el
área de colección solar es directamente proporcional al trabajo requerido por el equipo.
Se han realizado estudios enfocados a la obtención del área de colección solar óptima
requerida para este tipo de sistemas (Oda et al (1990); Aziz et al (1996)). Moreno
37 | P á g i n a
Rodríguez et al (2014) estudiaron la cantidad de calor absorbida en el colector/evaporador
de una DXSAHP mediante un modelo teórico. Demuestran que el cambio de fase del
refrigerante no se lleva a cabo en toda la superficie del colector, además de que la
temperatura en el condensador puede ser constante o variable dependiendo de la
aplicación del sistema. Aplicado el equipo a calefacción de espacios, la temperatura de
condensación depende tanto de las condiciones exteriores como interiores, mientras que
en un proceso de calentamiento de agua sanitaria, si se establece una temperatura fija
requerida en el tanque aislado de almacenamiento de agua, la temperatura de
condensación se considera constante.
También se ha estudiado el impacto ambiental de las bombas de calor, basado en el
análisis de ciclo de vida. Greening y Azapagic (2012) evaluaron las repercusiones
ambientales del uso de diferentes tipos de bombas de calor (agua-agua, aire-agua y
geotérmicas) en comparación con los calentadores de gas, encontrando que las primeras
no ofrecen ventajas significativas para el medio ambiente en Reino Unido. Posteriormente
(2013) los mismos autores presentaron otro estudio, pero en esta ocasión evaluaban el
impacto ambiental de los sistemas solares (colectores solares planos y colectores de tubos
evacuados), de igual forma bajo las condiciones atmosféricas de Reino Unido,
encontrando que su uso ayuda a reducir únicamente algunos impactos amplificando otros,
concluyendo que para regiones de baja radiación solar (800 - 1200 kWh/m2 por año) el
uso de los sistemas solares no es sostenible.
Sin embargo, Li et al (2015) presentaron un su trabajo las configuraciones disponibles más
empleadas para concentración de energía solar así como sus limitantes reales de
operación, con el objetivo de demostrar el potencial del uso de los concentradores de
energía para aumentar el rendimiento y efectividad de los colectores solares térmicos
(cuya función es primaria dentro de un sistema de DXSAHP) y alcanzar una mayor
eficiencia térmica incluso en condiciones pobres de radiación solar.
38 | P á g i n a
En complemento con lo anterior, igualmente se han realizado estudios que proponen
métodos de evaluación y comparación entre varios equipos en base a su COP, cuyos
valores encontrados varían entre 2-9 dependiendo de las condiciones exteriores y de la
eficiencia del colector/evaporador (Morrison et al (2003); Panaras et al (2013); Sami Buker
y Riffat (2015)).
Tagliafico et al (2014) presentaron un enfoque diferente del análisis de estado
estacionario de una DXSAHP, que describe de forma general e idealizada el
funcionamiento del sistema en función de sus características principales y su interacción
con sus alrededores, sin considerar las propiedades del fluido de trabajo, con la finalidad
de destacar el ahorro en el consumo de energía primaria principalmente.
Por otra parte, Huang y Lee (2006) proponen un método de prueba para evaluar el
desempeño de una DXSAHP en el cual únicamente son necesarios 5 parámetros: 1.
Radiación solar incidente instantánea sobre superficie horizontal, 2. Temperatura del aire
ambiente, 3. Temperatura del agua caliente en el tanque de almacenamiento, 4. Masa
total del agua caliente dentro del tanque y 5. Consumo de energía eléctrica total del
equipo.
Moreno et al (2013) desarrollaron un modelo matemático de una DXSAHP aplicada a
calefacción, validado experimentalmente para analizar el desempeño estacional, y
establecen que conociendo la temperatura de cada punto de operación del equipo, es
posible obtener el trabajo realizado por el compresor, así como la energía rechazada por
el condensador. También observan la dependencia entre la temperatura del condensador
y las condiciones exteriores (radiación solar, velocidad del viento y temperatura
ambiente), cuantificando dicha dependencia mediante “El término de arrastre” que
relaciona la variación de la temperatura del condensador con la variación de temperatura
en el evaporador.
39 | P á g i n a
Como se menciona en los párrafos anteriores, se han realizado diferentes valoraciones del
desempeño de este tipo de sistemas en diversas regiones, basadas en diferentes
propuestas y metodologías con varios parámetros de evaluación en común, no obstante
sigue sin existir un procedimiento normado aplicable a este tipo de bombas de calor que
apoye su comercialización.
La Norma Europea EN16147:2011 establece un método de prueba para evaluar
únicamente el desempeño de bombas de calor de tipo aire-agua, agua-agua y
geotérmicas, en base a ciclos de extracción de ACS establecidos en la misma. Facao y
Carvalho (2013) desarrollaron 2 propuestas de metodologías para evaluar el desempeño
de una DXSAHP considerando los ciclos de extracción de la Norma Europea y empleando
el Factor de desempeño estacional (SPF por sus siglas en inglés), analizando la influencia
de la temperatura diaria del aire, la temperatura de punto de rocío y la irradiación solar.
Gaigalis et al (2015) evaluaron las características termo económicas de la implementación
de las bombas de calor en Lituania para definir su potencial de ahorro de energía,
encontrando que, pese a sus ventajas tanto ecológicas como económicas, su potencial de
impacto depende ampliamente de su éxito en el mercado, el cual a su vez depende de su
promoción con el consumidor y de los sistemas de apoyo públicos, institucionales y
financieros.
En la siguiente tabla (Tabla 1) se muestran otras normas extranjeras vigentes que
describen un procedimiento de pruebas para determinar la eficiencia energética de las
bombas de calor aplicadas al calentamiento de agua. Sin embargo, al igual que la Norma
Europea, no consideran a las bombas de calor asistidas por energía solar.
40 | P á g i n a
Tabla 1 Normas extranjeras aplicables a bombas de calor
41 | P á g i n a
Tabla 1 (continuación) Normas extranjeras aplicables a bombas de calor
42 | P á g i n a
De lo anterior puede concluirse que se ha mantenido un creciente interés alrededor del
mundo por el desarrollo de este tipo de sistemas y su factibilidad para diversas
aplicaciones, entre ellas la producción de ACS en el sector residencial, desde su
concepción hasta la actualidad.
Su comportamiento no ha dejado de ser objeto de estudio, ya sea con la finalidad de
valorar oportunidades de mejora, alcanzar mayores valores de eficiencia energética en sus
sistemas, además de evaluar gastos de operación bajo diferentes condiciones climáticas, y
oportunidades reales de satisfacer las demandas de los consumidores en diversas
regiones. Es por esto que las DXSAHP comienzan a ser reconocidas como una opción
viable para reemplazar a las tecnologías convencionales en varios países de Asia y de la
Unión Europea.
Sin embargo, estos equipos no han logrado consolidarse en el mercado mundial, en parte
por la falta de promoción entre los usuarios y programas de apoyo de las instituciones
públicas, además de la carencia de normas que regulen su funcionamiento.
A pesar de los estudios que proponen métodos de prueba, recientemente algunos
encaminados a instaurar una norma, la naturaleza del funcionamiento de este tipo de
sistemas ha dificultado que se obtenga una metodología de ensayo aplicable en su
totalidad a estos equipos, que permita evaluar y compararlos de la misma forma para
cualquier región.
Por lo antes mencionado, la motivación de este trabajo surge del impulso de promover el
uso de tecnologías a base de energías renovables sobre las de combustibles fósiles en el
calentamiento de agua doméstica, mediante el desarrollo de una propuesta de método de
prueba para estos equipos en la Ciudad de México, que contribuya a una futura
elaboración de la norma que regule a estos sistemas e impulse su comercialización en
México.
43 | P á g i n a
CAPÍTULO 3
DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA
Este capítulo muestra la descripción de la instalación experimental
correspondiente a una bomba de calor de expansión directa asistida
por energía solar para el calentamiento de agua sanitaria propuesta.
Se despliegan los componentes de dicho sistema, que ejemplifica el
equipo hacia el cual va dirigido el método de prueba expuesto en el
trabajo presente. Se desarrolla el procedimiento de prueba basado
en la Norma Europea 16147:2011 “Bombas de calor con compresor
accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado de
equipos para agua caliente sanitaria”, mediante diagramas de flujo
y se puntualizan las modificaciones que se consideran necesarias
para su aplicación en bombas de calor asistidas por energía solar.
Además de lo anterior se presenta una metodología simplificada
para la evaluación de la eficiencia térmica de una DXSAHP.
44 | P á g i n a
Capítulo 3. DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA
3.1 DESCRIPCIÓN DE LA DXSAHP
En ésta sección del capítulo, se muestra una descripción de la instalación experimental de
la DXSAHP que será construida en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica
Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional, la cual ejemplifica el tipo de
equipo al que va dirigido el método de prueba planteado dentro de este trabajo.
Como se expresó anteriormente, el equipo funciona básicamente bajo un ciclo
termodinámico de compresión mecánica, por lo que los elementos principales que
compondrán al mismo, son: compresor, condensador, válvula de expansión y un colector-
evaporador, debido a que la transferencia de calor entre el fluido de trabajo y la fuente de
energía (Calor del medio ambiente) se realizará mediante expansión directa. El fluido de
trabajo seleccionado para la DXSAHP será el refrigerante R134A, Dupont SUVA 134a.
Debido a que el desempeño de la DXSAHP, y el impacto que sufren los componentes del
sistema durante cada etapa de su operación, se encuentran ampliamente ligados a las
condiciones del medio que rodea al equipo, es necesario tomar en cuenta las condiciones
climáticas para el diseño y construcción de una máquina térmica, así como para una
evaluación de su rendimiento.
Es por esto que, además de los componentes principales del sistema mencionados,
también se hace uso de elementos auxiliares, necesarios para regular el sistema y
garantizar el correcto y eficiente funcionamiento de la DXSAHP durante su operación e
interacción con las variaciones del medio que la rodea.
45 | P á g i n a
En la Figura 19, se muestra el diagrama esquemático de la instalación experimental de la
DXSAHP que será utilizada como base para este trabajo.
En el diagrama esquemático de la instalación experimental se muestran los 3 módulos
principales que conforman una DXSAHP: el módulo de compresión, el módulo de
evaporación y el módulo hidráulico.
En módulo de evaporación está formado principalmente por el dispositivo de expansión
(válvula reguladora de presión de evaporación), y por el colector-evaporador, que consta
de 8 evaporadores de placa plana, expuestos al medio y a la radiación solar, además de
una serie de válvulas de paso para dividir el campo de evaporación para un
funcionamiento con 4, 6 y 8 placas de manera simultánea. El colector-evaporador de la
instalación experimental se muestra en la Figura 36 del Apéndice 3.
Figura 19 Diagrama esquemático de la DXSAHP del LABINTHAP
46 | P á g i n a
El módulo de compresión, como su nombre lo indica, es en donde se lleva a cabo la
compresión del refrigerante y la transferencia de calor entre éste y el circuito secundario
(Circuito hidráulico), por lo que los componentes principales de este módulo son el
compresor y el condensador.
El compresor considerado es un compresor de alternativo de simple efecto, es decir que
cuenta con pistones que son accionados directamente a través de un perno y la biela del
cigüeñal. Los componentes más importantes de este tipo de compresor son las válvulas de
succión y de descarga (ASHRAE handbook: HVAC Systems and Equipment, 2000). Su
imagen se muestra en la Figura 37 en el Apéndice 3. El condensador de la instalación
experimental se observa en la Figura 38 en el Apéndice 3.
Además de los componentes auxiliares que son los siguientes:
Filtro deshidratador
Acumulador de succión
Válvula reguladora de presión
Presostato
Separador de aceite
Mirilla
Tanque recibidor
Para mayores detalles sobre estos componentes auxiliares refiérase al Apéndice 3.
Finalmente se tiene el módulo hidráulico, que como se expresó anteriormente, no forma
parte por sí mismo del ciclo termodinámico, se refiere al circuito secundario por el cual
fluye el agua de uso doméstico, y consiste de una bomba hidráulica y el tanque de
almacenamiento de agua caliente.
47 | P á g i n a
La tubería de la instalación es la siguiente:
Módulo de Compresión: Tubería de cobre flexible de 1/4”, 3/8” y 1/2" Diámetro
Nominal.
Módulo de Evaporación: Tubería de Cobre Rígida de 1/2” Diámetro Nominal.
Modulo Hidráulico: Tubería de Cobre Rígida:
o Aspiración de 38mm Diámetro Interior Nominal (~ 1 1/2”)
o Impulsión de 33mm Diámetro Interior Nominal (~ 1 3/8”)
3.2 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA DXSAHP
Existen normas que establecen métodos de pruebas para la evaluación del desempeño y
obtención de la eficiencia energética de los sistemas de bombas de calor aplicadas al
calentamiento de agua sanitaria, entre ellas, la norma europea UNE-EN-16147-2011. No
obstante, dichas normas no consideran la asistencia solar, y por lo que no son aplicables a
los tipos de bombas de calor cuya fuente principal de energía es la radiación solar, como
lo es la DXSAHP-WH.
En este apartado se muestra un procedimiento preliminar como una primera
aproximación del método de prueba final para la DXSAHP. Este procedimiento está
basado en el método de prueba señalado en la Norma Europea EN16147:2011 “Bombas
de calor con compresor accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado
de equipos para agua caliente sanitaria”.
48 | P á g i n a
En ésta norma se describe el método de prueba para bombas de calor de tipo: aire-agua,
salmuera-agua, agua-agua e intercambio directo-agua, aplicadas a calentamiento de agua
sanitaria únicamente. Las 6 etapas en las cuales se divide el procedimiento de evaluación
de este tipo de bombas de calor (Figura 20), serán evaluadas y modificadas para ser
aplicadas a una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, así como
los requisitos generales preliminares a las pruebas.
Es por lo anterior que primeramente serán descritos los requerimientos generales
seguidos de los procedimientos de ensayo, así como los diagramas de flujo que se han
desarrollado, para cada una de las etapas de prueba establecidas de la Norma Europea
EN16147:2011, para posteriormente realizar una identificación de los parámetros
empleados en dicha norma y los criterios de evaluación energética.
De esta forma podrá procederse a realizar las modificaciones necesarias para obtener una
metodología que pueda ser aplicada para evaluar el desempeño energético de una
DXSAHP.
3.2.1 REQUISITOS GENERALES DE PRUEBA (EN 16147:2011)
En la etapa de preparación previa a los periodos de prueba del equipo se asientan los
requisitos generales que se deben verificar, desde la instalación y conexión mecánica y
eléctrica del equipo (establecidos por el fabricante del equipo).
Se mencionan los parámetros de medición, los requerimientos que deben cumplir los
instrumentos de medición de acuerdo a la incertidumbre establecida y desviaciones de
medición permitidas.
49 | P á g i n a
Para algunos instrumentos de medición se describe la posición de instalación, sin embargo
no se establecen otros, como la posición de los sensores de temperatura dentro del
tanque de almacenamiento de agua caliente.
Además de lo anterior, se describen las características que debe reunir la cámara de
pruebas requerida por la norma para llevar a cabo las pruebas al equipo en condiciones
controladas y establecidas dentro de la misma norma. Esta es otra razón por la cual el
método descrito en la misma no es compatible con las bombas de calor asistidas por
energía solar, ya que no considera la influencia de las diferentes condiciones climáticas
que pueden presentarse a lo largo de su uso, y por lo tanto, los diferentes escenarios de
operación posibles del equipo.
En el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 47 del Anexo 1 se puede visualizar este
procedimiento.
Las tablas que se emplean en el procedimiento descrito se encuentran en el Apéndice A.1.
Analizando el diagrama de flujo de la Figura 47 podemos observar que, como se ha
mencionado anteriormente, varios pasos de este procedimiento de preparación no son
aplicables, no solamente al tipo de bomba de calor de expansión directa asistida por
energía solar, sino que tampoco a las condiciones climáticas de nuestro país. Además de
que al no ser un equipo comercializado, no existen especificaciones de fabricante, por lo
que tendrán que ser propuestas y modificadas a lo largo del estudio.
50 | P á g i n a
3.2.2 MÉTODO DE PRUEBA (EN 16147:2011)
Las 6 etapas registradas en la norma EN16147:2011 que constituyen el método de prueba
de una bomba de calor se muestran en la Figura 20 (UNE-EN 16147:2011, 2011):
Figura 20 Etapas y orden de los ensayos establecidos en la Norma Europea EN16147:2011
El objetivo de cada una de estas etapas será descrito en las siguientes secciones de este
capítulo, en conjunto con su metodología.
A. Periodo de calentamiento
B. Determinación de la potencia absorbida en
régimen estable
C. Determinación del consumo
energético y el COP
D. Determinación
de una temperatura de referencia
del ACS
E. Ensayo para determinar el rango de las
temperaturas de
funcionamiento
F. Ensayos de
seguridad
51 | P á g i n a
3.2.2.1 ETAPA DE PRUEBA A: PERIODO DE CALENTAMIENTO
La primera etapa de prueba del método descrito en la Norma Europea es llamada Periodo
de Calentamiento. En ella se determina el tiempo (th) y el aporte de energía (Wch)
necesarios para elevar la temperatura de un volumen de agua determinado desde la
temperatura inicial establecida como 10°C (indicada en la Tabla 9 ubicada en el Apéndice
1) hasta la temperatura de salida máxima requerida, que para esta norma se establece
como 55°C.
El volumen de agua a calentar se determina por la capacidad del tanque de
almacenamiento de agua de la bomba que requiera ser probada.
Las mediciones comienzan a partir de la puesta en marcha del compresor hasta su parada,
controlada por el termostato instalado en el tanque de almacenamiento de agua caliente.
Únicamente se considera la energía absorbida por el compresor durante el proceso.
En la Tabla 2 se muestra el cuadro que contiene las características principales de ésta
etapa. El procedimiento de la primera etapa de prueba se muestra en el diagrama de flujo
de la Figura 48 que se encuentra en el Anexo 1.
52 | P á g i n a
Tabla 2 Etapa de prueba A de la Norma Europea EN 16147:2011
53 | P á g i n a
Tabla 3 Etapa de prueba B de la Norma Europea EN16147:2011
54 | P á g i n a
3.2.2.2 ETAPA DE PRUEBA B: DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÉGIMEN
ESTABLE
La segunda etapa del método de pruebas consiste en obtener la potencia de la bomba de
calor en régimen estable, mediante la medición de la potencia eléctrica consumida a lo
largo de seis ciclos completos de arranque/parada del compresor, controlado por el
termostato ubicado en el tanque de almacenamiento de agua caliente, o durante un
periodo de 48 horas, lo que ocurra primero. Durante este periodo se considera que el
equipo ha alcanzado el estado estacionario.
El proceso debe llevarse a cabo sin realizar ningún tipo de extracción de agua caliente.
También se establece que debe ser considerada una corrección por la energía absorbida
por cualquier uso de ventiladores o bombas hidráulicas. Las características más
importantes de ésta etapa se muestran en la Tabla 3. El procedimiento de la etapa de
prueba se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 49 dentro del Anexo 1.
3.2.2.3 ETAPA DE PRUEBA C: DETERMINACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO Y DEL
COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA
SANITARIA MEDIANTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÓN DE REFERENCIA
Esta etapa de prueba consiste en la determinación del consumo energético de la bomba
de calor, pero a diferencia de la etapa anterior, en ésta se consideran en función de las
extracciones de agua caliente realizadas.
En el año 2002, la Comisión Europea creó el Mandato M/324, documento en el cual
declara la necesidad de definir una normalización de medidas para el consumo de energía
en le Unión Europea para todos los equipos o sistemas de producción de agua caliente.
55 | P á g i n a
Esta normalización se estableció en dicho mandato a través de los llamados “Ciclos de
extracción”.
Cada ciclo de extracción está compuesto por un conjunto de extracciones de acuerdo a su
tamaño. Los ciclos van desde el tamaño S (pequeño) formado por 11 eventos o
extracciones y con un volumen total de agua caliente extraída durante el ciclo completo
de 53 litros; hasta XXL (extra extra grande) que abarca 30 eventos y un total de 676 litros
de agua caliente extraída.
Las extracciones se indican en unidades de energía y volumen, y los valores utilizados en la
Norma europea EN 16147:2011, son los establecidos en el Mandato europeo M/324. Los
caudales de extracción indican el caudal de agua que debe recibir el tanque almacenador
de agua, en litros/minuto, para reestablecer la cantidad de agua extraída de acuerdo al
tipo de extracción.
Los caudales de extracción (Tabla 14), así como los ciclos de extracción (Tabla 15 – Tabla
19) empleados en la Norma Europea y establecidos en el Mandato M/324 se exponen en
el Apéndice 2.
El periodo de prueba por ciclo de extracción está determinado para una duración de 24
horas, sin embargo, el ciclo de ensayo debe comenzar y terminar inmediatamente
después de la última parada de la bomba, por lo que de ser necesario deberá prolongarse
hasta que el compresor de la bomba de calor complete un ciclo de arranque/parada.
Figura 21.
En la Tabla 4 y Tabla 5 se exponen las características principales de ésta tercera etapa. El
procedimiento de la misma de muestra en el diagrama de flujo de la Figura 50 del Anexo
1.
56 | P á g i n a
Figura 21 Ilustración de un ensayo de ciclo de extracción posible (Norma Europea EN16147:2011)
57 | P á g i n a
Tabla 4 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 1/2)
58 | P á g i n a
Tabla 5 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 2/2)
59 | P á g i n a
3.2.2.4 ETAPA DE PRUEBA D: DETERMINACIÓN DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA DEL
AGUA CALIENTE Y DEL VOLUMEN MÁXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE EN
CADA EXTRACCIÓN
De acuerdo con la norma europea, la temperatura de referencia es aquella determinada
como el valor promedio de las temperaturas medias registradas durante una extracción
(Norma Europea EN 16147, 2011). Dicha extracción finaliza cuando el valor de la
temperatura del agua obtenida se encuentra por debajo de la temperatura a la cual se
considera útil en dicha norma, es decir por debajo de los 40°C.
El volumen máximo de agua caliente útil está determinado por la temperatura de la
misma, por lo que se establece como el valor total de agua caliente que se obtiene de una
sola extracción a una temperatura de por lo menos 40°C.
En la Tabla 6 se muestran las principales características de ésta etapa.
El propósito de la cuarta etapa, como su nombre lo indica, es el de obtener el valor de la
temperatura de referencia y el volumen máximo de agua caliente útil que puede ser
extraído por evento. Por lo que esta prueba consiste en realizar una extracción constante
de agua caliente manteniendo un flujo másico regulado (10 ± 0.5 l/min), realizando
mediciones continuas de la temperatura de agua caliente, hasta que su valor sea inferior
al de la temperatura útil.
En la Figura 51 del Anexo 1 se muestra el procedimiento de la cuarta etapa de pruebas
mediante su diagrama de flujo.
60 | P á g i n a
Tabla 6 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011
61 | P á g i n a
3.2.2.5 ETAPA DE PRUEBA E: ENSAYO PARA DETERMINAR EL RANGO DE LAS TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO
Para determinar el rango de temperaturas de la fuente de calor dentro del cual es
funcional el equipo y corroborar que concuerde con los límites de uso indicados por el
fabricante, esta prueba se desarrolla en 2 periodos de calentamiento. A la temperatura
mínima de la fuente de calor (límite inferior de uso) y a la temperatura máxima de la
fuente de calor (límite superior de uso).
La Tabla 7 muestra las características principales de la quinta etapa.
Para el primer periodo de calentamiento se regula primeramente la temperatura mínima
de la fuente de calor al nivel del evaporador y debe mantenerse en el transcurso del
primer periodo de calentamiento. En ambas partes de la prueba, el primer paso consiste
en calentar el agua contenida dentro del tanque de almacenamiento, que previamente
requiere ser llenado con agua a la temperatura mínima de arranque.
La temperatura mínima de arranque es la temperatura que establece el fabricante a partir
de la cual el agua dentro del tanque requiere que le sea suministrado calor para elevar su
temperatura, lo que significa que es la temperatura del agua a partir de la cual el equipo
se pone en funcionamiento automáticamente.
El equipo debe calentar el agua del depósito hasta la temperatura máxima posible del
agua caliente, ajustada en el termostato al inicio de la prueba, también establecida por el
fabricante, hasta que el equipo se detenga.
62 | P á g i n a
Tabla 7 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011
63 | P á g i n a
Justo después del paro de la bomba, se extrae el 50% del volumen nominal del depósito
manteniendo un flujo volumétrico de 10± 0.5 l/min para obtener el valor medio de la
temperatura del agua caliente durante la extracción, que es el límite inferior para su
producción. El mismo procedimiento se repite con el segundo periodo de calentamiento
para obtener el límite superior de producción de ACS.
Se puede observar que en la tabla anterior, el procedimiento se hace mención acerca de
la regulación del caudal proveniente de la fuente de calor, el cual se establece de acuerdo
a las especificaciones del fabricante para el equipo operando bajo las condiciones de
ensayo A7/W35.
Esto es debido a que el coeficiente de rendimiento, o coeficiente de desempeño (COP)
para las bombas de calor aire/agua debe ser medido bajo condiciones normalizadas de
temperatura de aire de entrada al equipo y una temperatura de salida del agua caliente.
Lo anterior quiere decir que para la condición de ensayo A7/W35, el caudal debe regularse
para un flujo de aire de entrada a una temperatura de 7°C y obtener una temperatura de
agua de salida de 35 °C. Además de la condición A7/W35, típicamente también se emplea
la condición A2/W35, es decir para una entrada de aire a 2°C de temperatura (Dimplex,
2015).
El procedimiento de ésta etapa se despliega 3 diagramas de flujo. El diagrama de flujo
general del procedimiento de ésta etapa se expone en la Figura 52 del Anexo 1. Dentro del
mismo anexo, el diagrama de flujo de la Figura 53 muestra el procedimiento para el
primer periodo de calentamiento de la etapa de pruebas 5, mientras que el procedimiento
para el segundo periodo de calentamiento se puede observar en la Figura 54.
64 | P á g i n a
3.2.2.6 ETAPA DE PRUEBA F: ENSAYOS DE SEGURIDAD
Dentro de la sexta y última etapa se exponen las pruebas de seguridad necesarias a
realizar para garantizar un correcto funcionamiento de estos equipos y minimizar al
máximo los riesgos de operación para el usuario. Se muestran las características
principales en la Tabla 8.
Mediante la simulación de 2 fallos consecutivos, una vez que el equipo se encuentre
operando en régimen estable y manteniendo las condiciones de prueba establecidas en
los requisitos generales de ensayo del Apéndice 1 (Tabla 12 y Tabla 13), éste debe ser
capaz de mantener un desempeño adecuado aún después de ser expuesto a las siguientes
fallas:
1. Bloqueo de los caudales de los medios de transferencia de calor.
2. Fallo completo de la fuente de alimentación.
Mientras el equipo se encuentra en funcionamiento se produce agua de las
condensaciones, especialmente sobre la superficie del evaporador y con mayor frecuencia
en el periodo nocturno. Este condensado debe ser conducido de forma correcta hacia el
drenaje en todo momento sin permitir que se congele, con el fin de evacuar la cantidad de
agua que pueda llegar a producirse.
Es por lo que, además de las pruebas descritas en el párrafo anterior, se establece como
una tercera parte de la etapa de seguridad la observación del drenaje de las
condensaciones continuamente a lo largo de todo el proceso de pruebas y debe de
comprobarse que no se presenten goteras a través de los ductos.
65 | P á g i n a
Tabla 8 Etapa de prueba F de la Norma Europea EN16147:2011
66 | P á g i n a
Para este trabajo no será desarrollada una etapa de pruebas de seguridad para la bomba
de calor de expansión directa asistida por energía solar, ya que si bien se entiende su
importancia para avalar el desempeño seguro, además de óptimo del equipo dentro del
proceso de evaluación, no es una parte integral de este proyecto, cuyo objetivo principal
se centra en la estimación de la eficiencia energética y el COP de la DXSAHP.
En la siguiente sección se describen con más detalle el proceso para cada simulación de
fallo señalado. En la Figura 55 del Anexo 1 se puede ver el diagrama de flujo general
elaborado para ésta etapa.
3.2.2.6.1 BLOQUEO DE LOS CAUDALES DE LOS MEDIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Durante un periodo de al menos una hora, se lleva a cabo un bloqueo del caudal de
transferencia de calor, con la finalidad de comprobar que el equipo no sufra ninguna
avería durante y posterior a la prueba, que le impida operar correctamente una vez
reestablecido el flujo. El diagrama de flujo se muestra en la Figura 56 del Anexo 1.
3.2.2.6.2 FALLO COMPLETO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Consiste en la simulación de una suspensión completa de la fuente de alimentación
eléctrica del sistema durante un periodo de 5 segundos para comprobar que el equipo no
sufra daños durante y posteriormente a la prueba, así como el correcto desempeño del
mismo a continuación del re inicio del compresor. El diagrama de flujo se muestra en la
Figura 57 del Anexo 1.
67 | P á g i n a
3.3 METODOLOGÍA SIMPLIFICADA
La metodología propuesta en la Norma Europea EN16147:2011 es un procedimiento de
prueba extenso que se enfoca en la validación de cierto tipo de bombas de calor aplicadas
al calentamiento de agua sanitaria para su normalización, sin embargo en esta sección se
describe una propuesta de metodología para evaluar el desempeño de una bomba de
calor de expansión directa asistida por energía solar para el calentamiento de agua
sanitaria, cuya función es la de conocer de forma general el comportamiento que presenta
el equipo en base a su coeficiente de desempeño.
La metodología presentada a continuación está basada en el trabajo de B.J Huang y C. P
Lee de la Universidad Nacional de Taiwán (2006). En dicha metodología se propone que
para obtener una visión amplia del desempeño de este tipo de sistemas, como una
primera aproximación para obtener la eficiencia térmica del mismo, es necesaria la
medición de sólo 5 parámetros:
1. Irradiancia instantánea sobre un plano horizontal.
2. Temperatura ambiente.
3. Temperatura del agua caliente dentro del depósito.
4. Masa total del agua dentro del depósito
5. Energía eléctrica consumida total.
Este método, a diferencia de la Norma Europea, establece como requisito la hora de inicio
de prueba a las 9 am y finalizarla cuando el agua caliente al interior del tanque alcance la
temperatura de 55 °C, además de sugerir un periodo de muestreo de las condiciones
atmosféricas y parámetros de medición de 3 minutos.
68 | P á g i n a
Otro factor que se considera en este método es la estratificación del agua dentro del
depósito, que quiere decir que no todo el volumen al interior se encuentra a la misma
temperatura, lo que ocasiona que se formen capas de agua a diferentes temperaturas,
resultando en que el agua de mayor temperatura tienda a mantenerse más cerca de la
superficie, debido a la diferencia de densidades. Es por esto que también se establece
como requisito el uso de una bomba de circulación dentro del tanque de almacenamiento
para mezclar el agua previamente antes de cualquier medición de temperatura.
Se realizan los balances de energía para una DXSAHP considerando a la radiación solar y al
calor del medio ambiente como 2 fuentes de energía para la bomba, y se desarrollan para
2 posibles condiciones: que el equipo opere utilizando sólo una fuente de calor (calor
ambiente) y que el equipo emplee ambas fuentes de calor (radiación solar y calor
ambiente).
Se proponen determinadas correlaciones, verificadas experimentalmente, para cuando las
condiciones atmosféricas no favorezcan un aporte significativo de energía proveniente de
la radiación solar directa, es decir para días nublados, con una irradiancia diaria promedio
inferior a los 200 W/m2, y para días soleados (un valor de irradiancia diaria promedio por
arriba de los 200 W/m2).
En el siguiente diagrama de flujo (Figura 22) se muestra el procedimiento basado en el
trabajo descrito en los párrafos anteriores.
69 | P á g i n a
70 | P á g i n a
71 | P á g i n a
72 | P á g i n a
Figura 22 Diagrama de flujo de la metodología simplificada de prueba
73 | P á g i n a
En este capítulo se presentó y describió el diagrama esquemático del equipo aplicado al
calentamiento de agua sanitaria que será desarrollado en el LABINTHAP y que describe la
estructura y composición del sistema de una bomba de calor de expansión directa asistida
por energía solar. Posteriormente se desarrollaron dos métodos de prueba.
En primer lugar se muestra el método de prueba descrito en la Norma Europea EN
16147:2011, para el cual se elaboró el diagrama de flujo que expone con mayor claridad y
precisión el procedimiento de cada una de sus etapas. En segundo lugar se desarrolló un
diagrama de flujo que describe un procedimiento de prueba basado en un experimento
llevado a cabo en la Universidad Nacional de Taiwán.
En lo que respecta a la metodología descrita de acuerdo a la Norma Europea EN
16147:2011, el objetivo principal era el de establecer los requisitos que una bomba de
calor (de los tipos mencionados anteriormente) debía cumplir para poder ser
comercializada en la Unión Europea, por lo que la aplicación de este procedimiento es
más compleja y considera una mayor cantidad parámetros que la del segundo (como lo es
una etapa dedicada a corroborar la seguridad del equipo). Mientras que el objetivo de la
metodología simplificada desarrollada en el subcapítulo anterior, únicamente es el de
evaluar el comportamiento general de una DXSAHP bajo la influencia de diferentes
condiciones atmosféricas.
El propósito primordial de un método de prueba es el de evaluar de forma cuantitativa y/o
cualitativa un equipo y/o proceso, y dicha evaluación puede presentarse con diferentes
enfoques de acuerdo a las diferentes necesidades. En base a lo cual, primeramente es
imperativo conocer el funcionamiento, composición y limitantes del equipo, para
posteriormente seleccionar los criterios de evaluación a considerar, parámetros de
medición, condiciones, instrumentos e instalaciones de prueba, necesarios para cumplir
con el objetivo. Lo cual nos indica que un método de prueba puede ser tan general o
especializado como se requiera de acuerdo al propósito de su elaboración.
74 | P á g i n a
CAPÍTULO 4
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En este capítulo se presentan los parámetros que influyen
en el desempeño de una DXSAHP, necesarios para valorar
el rendimiento de estos sistemas. Se muestran las gráficas
que representan el comportamiento de la DXSAHP bajo las
condiciones ambientales de la Ciudad de México,
obtenidas a partir del modelo de simulación numérica
desarrollado por el M.C Jorge Ernesto De León Ruíz en su
trabajo de tesis de maestría Modelo matemático y diseño
de una bomba de calor de expansión directa asistida por
energía solar para calentamiento de agua. Dichas gráficas
son analizadas para exponer la influencia que supone cada
uno de los diferentes parámetros al evaluar la eficiencia de
este tipo de equipos y su consecuente implicación en el
método de prueba.
75 | P á g i n a
Capítulo 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 INFLUENCIA DE LOS PARÀMETROS EVALUADOS EN EL COEFICIENTE DE
DESEMPEÑO DE LA DXSAHP
La eficiencia térmica de una bomba de calor es valorada comúnmente mediante su
coeficiente de desempeño o coeficiente de operación (COP) como se ha mencionado
anteriormente. Al evaluar el COP de una DXSAHP, la asistencia solar presume un
incremento de dicho valor en comparación con otro tipo de bombas que no aprovechan la
radiación solar de manera directa.
Sin embargo, así como el uso de una fuente de energía renovable y gratuita, como lo es la
energía solar, representa una ventaja en este tipo de equipos, existen problemas
inherentes a su naturaleza. Un ejemplo es la variación en la intensidad de la radiación
solar a lo largo del día e incluso del año en algunas regiones, por lo que deben ser
considerados medios de almacenamiento de energía por la noche y durante los periodos
de baja radiación.
La energía solar que puede ser aprovechada por este tipo de sistemas se encuentra sujeta
a interrupciones impredecibles debido a condiciones atmosféricas y climáticas, como
nubosidad, viento, lluvia, nieve, entre otras, por lo que se debe de aprovechar al máximo
la entrada de energía solar mediante el uso eficaz de la energía a las temperaturas más
bajas posibles.
Es por lo anterior que, además de la radiación solar, existen otros parámetros que influyen
directa o indirectamente sobre la operación de una bomba de calor de expansión directa
asistida por energía solar, y por consiguiente, que desempeñan un factor importante al
momento de obtener una valoración sobre su eficiencia térmica.
76 | P á g i n a
En la siguientes subsecciones de este capítulo se describen los parámetros generales más
importantes que intervienen en el proceso de transferencia de calor de una DXSAHP,
considerados en este trabajo.
4.1.1 HUMEDAD
La humedad indica la cantidad de agua, en forma de vapor, presente en el aire ambiente
y es un factor que influye de manera importante en el comportamiento de los equipos
para calentamiento de agua asistidos por energía solar, como lo es la DXSAHP.
La humedad relativa es la humedad que posee cierta cantidad de aire con relación a la
mayor cantidad de humedad absoluta que podría contener conservando la misma
temperatura y presión atmosférica, es decir, sin que se produzca ninguna condensación,
por lo que se expresa en porcentaje (%). Al depender de la temperatura del aire y la
presión atmosférica, es diferente en cada región. En la Ciudad de México, la humedad
relativa promedio varía a lo largo del año entre el 46% y el 71% (Materias Primas
Pochteca, 2016), encontrando los valores más altos de humedad relativa en la mañana y
en el periodo nocturno. En la Figura 23 se muestran los valores de humedad relativa
correspondientes al día 04 de Mayo de 2016 (CONAGUA, SMN, 2016), y se presenta de
forma representativa para observar la variación de la humedad relativa a lo largo del día.
La humedad relativa refleja de forma directa el potencial de evaporación de un fluido. Los
efectos de la humedad en los sistemas solares se ven reflejados cuando se presenta un
exceso de vapor de agua en el aire, o dicho de otra forma, cuando la humedad relativa se
encuentra muy cercana al punto de saturación (100%), lo que propicia una condensación
excesiva en los intercambiadores de calor, principalmente en el evaporador, ya que su
superficie se encontrará a una temperatura muy por debajo de la del punto de rocío.
77 | P á g i n a
Figura 23 Humedad relativa a lo largo del día en la Cd. de México
La película de condensación que se forma en la superficie del intercambiador de calor
actúa como una resistencia térmica al flujo de calor, que deriva en una disminución de la
eficiencia del mismo, afectando el rendimiento de todo el sistema. Lo mismo ocurrirá
cuando se forme escarcha o inclusive una capa de hielo en la superficie del colector-
evaporador durante la temporada invernal.
4.1.2 VELOCIDAD DEL VIENTO
El refrigerante que fluye a través del colector-evaporador de la DXSAHP, experimenta un
cambio de fase al absorber la energía calorífica presente en el medio ambiente por
convección. Este mecanismo de transferencia de calor, cuando es producido únicamente
por el movimiento de los fluidos debido a su diferencia de densidades, es llamado
convección libre, mientras que cuando se presenta la fuerza externa del viento, que
mueva el aire sobre una superficie a diferente temperatura, es llamada convección
forzada. Sobre la superficie del colector-evaporador tendrán lugar ambos mecanismos de
transferencia de calor por convección por lo que el análisis detallado debe incluir el
cálculo del número de Richardson que los relaciona.
78 | P á g i n a
Figura 24 Gráfica de Tiempo de trabajo del compresor contra Velocidad del viento
En la gráfica, mostrada en la Figura 24, se muestra el efecto de la velocidad del viento
sobre el tiempo de trabajo del compresor para varios valores de temperatura de agua
caliente. Se puede observar que sin importar la temperatura de agua caliente deseada,
una mayor velocidad del viento incrementa el flujo de calor absorbido por el refrigerante
en el colector-evaporador, lo que se traduce en un menor tiempo de trabajo del
compresor, y a su vez en un menor consumo de energía eléctrica por parte del mismo.
Esto impacta de forma positiva en la eficiencia del equipo.
Para una velocidad del viento de 1.5 m/s, que es el valor promedio diario en la Ciudad de
México (De León Ruiz, J.E, 2015), el compresor trabajaría por un periodo de
aproximadamente 2.6 h para alcanzar una temperatura de agua caliente de 60° C, sin
embargo, con una velocidad del viento de 7 m/s el tiempo de trabajo del compresor se
79 | P á g i n a
reduce únicamente a 2.5 h, por lo que los resultados obtenidos muestran que el efecto de
la velocidad del viento es mínimo, significando una reducción del 4% del tiempo de
compresión.
Por otra parte, la intensidad de la transferencia de calor por convección es proporcional al
coeficiente de película, que relaciona el flujo de calor entre una superficie y el aire
ambiente, como función de la diferencia de temperaturas entre ellos. El coeficiente de
película depende a su vez de la velocidad del flujo. A mayor velocidad del viento, la
velocidad del flujo de aire es superior, incrementando el coeficiente de película y
propiciando un mayor flujo de calor por convección.
Es por esto que en la realidad, la velocidad del viento actúa de dos formas sobre el
desempeño de la DXSAHP. Cuando el aire se encuentra a una mayor temperatura que la
superficie del colector-evaporador, una mayor velocidad del viento favorece la
transferencia de calor del medio ambiente hacia la superficie, mientras que cuando el
colector-evaporador se encuentra a mayor temperatura que el aire ambiente, por ejemplo
durante un día soleado, el viento incrementa la disipación de calor lo que representa en sí
una pérdida de calor. Para estudiar estos dos comportamientos se requiere hacer una
investigación experimental, lo que queda fuera de los alcances del presente trabajo.
4.1.3 VOLUMEN DE AGUA
La cantidad de agua contenida en el tanque de almacenamiento de agua caliente debe ser
la necesaria para satisfacer las necesidades de ACS de una vivienda, por lo que para el
dimensionamiento del mismo, es imperativo tomar en cuenta los diversos factores que
influyen en el consumo de agua caliente, siendo el más importante, el número de
personas que constituyen el hogar. Como recomendación práctica se considera un
consumo total de 75 litros de agua caliente por persona al día (ANES, 2006).
80 | P á g i n a
Figura 25 Gráfica de Flujo de calor cedido contra Temperatura de agua caliente
En la gráfica de la Figura 25 se muestra el flujo de calor cedido al agua en función de la
temperatura de agua caliente que se desea obtener a la salida, para 3 diferentes
volúmenes de agua, y se puede observar una relación prácticamente lineal.
A partir de la gráfica podemos expresar que la cantidad de calor cedida al agua debe ser
mayor con relación al volumen de agua para alcanzar la temperatura de agua caliente
esperada. Para una temperatura de agua caliente de 40 °C, la disminución en la cantidad
de agua de 0.3 m3 a 0.1 m3 representa un decremento de aproximadamente el 65 % en el
flujo de calor que debe entregarse al agua. Mientras que para una temperatura de agua
deseada, de 60° C, el flujo de calor para un tanque de almacenamiento de 0.3 m3 debe ser
casi 3 veces mayor que para uno de 0.1 m3.
81 | P á g i n a
Un aumento en el flujo de calor representa mayor cantidad de energía suministrada al
agua por lo que el volumen de agua a calentar también es otro parámetro que influye en
el comportamiento de la DXSAHP y repercute en su eficiencia térmica. Debido a esto,
debe considerarse adecuadamente la capacidad del tanque de almacenamiento de agua
caliente para evitar un sobredimensionamiento en el mismo que obstaculice un
desempeño óptimo del sistema.
4.1.4 RADIACIÓN SOLAR
La energía térmica radiante proveniente del sol, encargada de calentar al planeta, llega a
la tierra a través de ondas electromagnéticas con longitudes de onda entre 0.1 𝜇𝑚 (rayos
X) a 100 𝜇𝑚 (ondas de radio) (ASHRAE handbook: HVAC Applications, 1999). Al pasar por
la atmósfera terrestre, parte de la radiación del sol se dispersa por el nitrógeno, el oxígeno
y otras moléculas. Otra fracción de esta energía radiante se ve atenuada por absorción en
la capa de ozono y por una serie de bandas de absorción causadas por vapor de agua,
dióxido de carbono y ozono, y partículas suspendidas.
La radiación solar se expresa en términos del flujo de energía instantánea recibido por
unidad de superficie, conocido como irradiancia (W/m2), o en términos de la irradiación,
que es el flujo de energía solar recibido en un periodo determinado de tiempo por unidad
de superficie (kWh/m2). La irradiación global es la radiación solar total que incide sobre
una superficie, y por su comportamiento se divide en tres componentes: directa, difusa y
reflejada.
Los rayos solares que llegan a la superficie terrestre sin sufrir ninguna desviación a través
de su paso por la atmósfera, son conocidos como radiación solar directa, mientras que la
energía radiante dispersada y recibida a través de las nubes es denominada radiación
difusa y una parte de ella va a la superficie mientras que otra vuelve al espacio. La
radiación reflejada es la suma de la radiación directa y difusa recibida en la superficie.
82 | P á g i n a
La intensidad con la que se presenta la radiación solar sobre cualquier superficie terrestre,
además de la dispersión y atenuación antes mencionada, se encuentra sujeta a varios
factores, como la naturaleza de la superficie, la ubicación geográfica, la topografía del
terreno, en conjunto con factores estacionales y meteorológicos.
En México, el potencial solar es significativo ya que es un país con una incidencia de
energía solar alta en la mayor parte de su territorio, con una radiación solar promedio
anual que va desde los 4.4 kWh/m2 en la zona central, hasta 6.3 kWh/m2 en la zona norte.
Específicamente para la Ciudad de México, el valor de irradiación promedio al día es de
3.5 kWh/m2 (CONAGUA, 2016), un valor promedio de 6.06 horas de sol por día, y tomando
en cuenta el valor promedio de la temperatura ambiente de 23.5°C, debido a que esta es
la temperatura promedio máxima y dicho valor nos indica la temperatura del flujo de calor
de aire al cual estará expuesto el colector-evaporador y el tanque de almacenamiento de
agua caliente (De León Ruiz, J.E, 2015). Dichos valores fueron los considerados en el
modelo matemático para evaluar la influencia de la radiación solar en el desempeño de la
DXSAHP.
En la gráfica que se muestra en la Figura 26, se muestran los valores obtenidos para el
coeficiente de desempeño del equipo en función de la temperatura de salida del agua
caliente, para el equipo operando bajo la influencia de la asistencia solar y sin la asistencia
solar.
En dicha gráfica se puede apreciar cómo influye la radiación solar en el desempeño del
equipo. El máximo coeficiente de operación obtenido del equipo funcionando sin
asistencia solar, para una temperatura de agua caliente requerida a la salida de 40° C es
de 4.3, mientras que el máximo obtenido por el sistema trabajando con ayuda de la
radiación solar es de 6.8, con lo que se puede estimar un incremento de
aproximadamente el 30% en el COP.
83 | P á g i n a
Otro factor importante en esta gráfica es la temperatura requerida del agua caliente a la
salida, ya que se observa que el COP disminuye en función de la temperatura del agua a la
salida. Mientras mayor sea la temperatura deseada del agua caliente, menor será el
coeficiente de desempeño que obtendremos por parte del sistema. Cuando se incrementa
la temperatura del agua caliente a la salida de 40° C a 60° C, el COP disminuye a 2.8 sin
asistencia solar, y a 4.8 con asistencia solar.
De lo anterior podemos observar que la asistencia solar influye de forma positiva en la
eficiencia de la DXSAHP, ya que sin importar la temperatura de agua caliente a la salida, el
valor del COP obtenido cuando el equipo opera con ayuda de la radiación solar es
considerablemente mayor que el obtenido para la condición sin asistencia solar.
Figura 26 Gráfica de COP contra Temperatura de agua caliente
84 | P á g i n a
4.1.5 TEMPERATURA AMBIENTE, TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE Y CONSUMO
TOTAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La temperatura ambiente en la Ciudad de México está determinada por el clima de la
región, mismo que a su vez se ve influenciado por varios factores, como las condiciones
atmosféricas, su ubicación geográfica, y distribución de tierra y agua.
La ciudad de México, por su posición geográfica, forma parte de las zonas con clima
templado, por lo que generalmente, se registran temperaturas ambiente promedio de
10°C a 18°C y de 18°C a 22° C, y en algunos casos inferiores a los 10° C (CONAGUA, SNM,
2016). Sin embargo, como consecuencia del calentamiento global y los cambios climáticos
derivados del mismo, en los últimos años se han presentado temperaturas fuera de los
rangos promedio.
Para calcular el consumo de energía eléctrica total de la DXSAHP debe ser considerada,
además de la potencia absorbida por el compresor, la absorbida por el total de los
elementos eléctricos del sistema, como bombas de líquido y resistencias eléctricas que
son incluidas en algunos equipos para satisfacer la demanda de agua caliente en caso de
que las condiciones ambientales no favorezcan la obtención del total de calor necesario
del medio ambiente. Cabe mencionar que en este apartado únicamente se considera la
potencia absorbida por el compresor.
El consumo de energía eléctrica del compresor se ve influenciado directamente por la
temperatura ambiente y la temperatura de agua caliente requerida. Dicha relación se
muestra a continuación mediante la gráfica de la Figura 27.
85 | P á g i n a
Figura 27 Gráfica de Trabajo de compresión contra Temperatura de agua caliente
En la gráfica se refleja el consumo de energía eléctrica mediante el trabajo de compresión
para diferentes valores de temperatura de aire ambiente en función de la temperatura de
agua requerida a la salida. Se puede observar que existe una relación directa entre la
diferencia de temperaturas y el consumo de energía eléctrica. A mayor diferencia entre la
temperatura ambiente y la temperatura del agua deseada, es necesario un mayor trabajo
de compresión para alcanzar el propósito del equipo que es calentar agua.
4.2 COEFICIENTE DE DESEMPEÑO
Como se mencionó anteriormente en este trabajo en la sección 2.1, la eficiencia de una
bomba de calor se determina mediante su Coeficiente de desempeño o coeficiente de
86 | P á g i n a
operación (COP), que relaciona la potencia térmica cedida entre la potencia eléctrica
absorbida. Debido a la naturaleza de esta máquina térmica, su rendimiento depende
mayormente de las condiciones climáticas y atmosféricas de la región de operación, y
existen varios parámetros que intervienen en la evaluación del mismo, siendo discutidos
previamente en este capítulo los principales, mismos que fueron considerados en el
modelo matemático utilizado para obtener las gráficas mostradas (De León Ruiz, J.E,
2015).
Los valores de eficiencia obtenidos para una DXSAHP operando bajo las condiciones de la
Ciudad de México, se visualizan por medio de la siguiente gráfica de la Figura 28 mediante
el COP del sistema en función de la temperatura del agua caliente, bajo varias condiciones
de temperatura ambiente.
En la gráfica se observa que el COP se comporta de forma inversa a la temperatura de
agua caliente requerida. También puede apreciarse una pendiente mayor conforma
aumenta la temperatura ambiente. Mientras que para una temperatura ambiente de
10°C, los valores del COP se encuentran, para un rango de temperaturas de agua caliente
entre 40° C y 60°, entre 2.3 y 3.2 aproximadamente; a una temperatura ambiente de 35
°C, el equipo presenta valores superiores de COP, entre 3.3 y 5.5.
Los valores obtenidos y registrados por equipos de características similares, evaluados en
otros estudios alrededor del mundo, varían entre 2 y 9 (Buker, M. S & Riffat, S. B., 2015)
por lo que los valores obtenidos para el diseño de DXSAHP considerado en este trabajo,
se encuentran dentro del rango.
87 | P á g i n a
Figura 28 Gráfica de Coeficiente de desempeño contra Temperatura de agua caliente
4.3 PROPUESTA FINAL DE METODOLOGÌA DE EVALUACIÒN DE LA EFICIENCIA
TÈRMICA
En esta sección se muestra la metodología propuesta para evaluar la eficiencia térmica de
una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, tomando como pauta
la Norma Europea EN 16147:2011 y la metodología simplificada desarrollada por Huang y
Lee (2006) descrita en la sección 3.3. El método propuesto se compone de 5 etapas: 1.
Periodo de calentamiento; 2. Obtención de la potencia absorbida en régimen estable; 3.
Determinación del consumo energético y el coeficiente de desempeño mediante el uso de
los ciclos de extracción; 4. Determinación de una temperatura de referencia y volumen
88 | P á g i n a
máximo utilizable de ACS; 5. Rango de temperaturas de funcionamiento. El procedimiento
previo en donde se especifican los requisitos generales para evaluar la DXSAHP se
muestran en el diagrama de flujo del Anexo 2.
La metodología simplificada, que como se mencionó, expone un procedimiento más
rápido de evaluación para obtener una estimación general del comportamiento del
equipo, contribuyó en el desarrollo del método propuesto para la inclusión y valoración de
la asistencia solar, parámetro que no intervienen en el método de pruebas de la Norma
Europea, por medio de la medición de la irradiancia solar sobre el plano horizontal para
obtener la radiación solar diaria. Además del tiempo de muestreo de 3 minutos sugerido
para medir las condiciones ambientales y el establecimiento de una hora de inicio de
prueba (9 am).
Como se mencionó anteriormente, se entiende la importancia de las pruebas de seguridad
al equipo, sin embargo no será desarrollada una etapa de pruebas de seguridad para la
bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar al no ser una parte integral
del proyecto, cuyo objetivo se centra principalmente en la estimación de la eficiencia
energética de la DXSAHP.
No obstante, existen normas para colectores solares aplicados al calentamiento de agua
sanitaria en el sector residencial que incluyen pruebas de seguridad en los métodos de
prueba para la evaluación de su rendimiento, mismas que pueden ser aplicadas a las
bombas de calor asistidas por energía solar, como la Norma Mexicana de NORMEX, NMX-
ES-001-NORMEX, que con objeto de comprobar la resistencia y capacidad de operar bajo
las condiciones de presión a las que el colector solar se verá sometido, establece una
prueba de presión estática a la cual debe someterse el colector, previamente a su
exposición a la radiación solar.
89 | P á g i n a
4.3.1 ETAPA 1: PERIODO DE CALENTAMIENTO
Las modificaciones principales realizadas en ésta primera etapa de prueba comienzan con
la temperatura inicial del agua (10°C). No puede ser considerado el mismo valor debido a
que el clima de la Ciudad de México, al ser templado sub-húmedo (SMN, 2016), la
temperatura promedio anual a la que la red pública entrega el agua potable a los
inmuebles ubicados en el Distrito Federal es de 15.5 °C (Norma ambiental, NADF-008-
AMBT-2005, 2005).
De igual forma puede observarse que en el procedimiento de prueba descrito en la Norma
Europea, para el periodo de calentamiento inicial no es considerada la energía aportada
por la radiación solar, y es por esto que es necesario incluir un proceso de medición de
este parámetro dentro del método propuesto. En esta y en las subsecuentes etapas de
prueba se evalúa la asistencia solar del equipo de acuerdo a la propuesta por la
metodología simplificada, mediante la medición de la irradiancia solar sobre el plano
horizontal. Dicha medición se realiza siguiendo de acuerdo a las especificaciones del
fabricante del equipo requerido (pirómetro). La hora propuesta de inicio de la prueba es a
las 9 am.
La cantidad de energía solar disponible al momento de llevar a cabo la primera etapa de
prueba influirá directamente en el periodo de calentamiento, además de la energía
consumida por el compresor. Se espera encontrar una relación inversa entre ésta y la
radiación solar disponible.
A continuación, en la Figura 29 se muestra el diagrama de flujo del procedimiento de
prueba modificado para la primera etapa de evaluación de la DXSAHP, señalando las
modificaciones realizadas con recuadros color verde.
90 | P á g i n a
91 | P á g i n a
Figura 29 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 1 para la DXSAHP
92 | P á g i n a
4.3.2 ETAPA 2: OBTENCIÒN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÈGIMEN ESTABLE
En la etapa de prueba 2, nuevamente el principal parámetro que no es considerado es la
asistencia solar, ni las variaciones en las condiciones climáticas a lo largo de la prueba, por
lo que para el desarrollo de la segunda etapa se propone la inclusión de un sistema de
adquisición de datos que monitoree de forma periódica las condiciones atmosféricas
durante la prueba. Además de lo anterior no se encontraron diferencias importantes que
debieran ser consideradas.
El diagrama de flujo de la segunda etapa de prueba se muestra a continuación en la Figura
30, señalando las modificaciones realizadas con recuadros color verde.
93 | P á g i n a
94 | P á g i n a
Figura 30 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 2 para la DXSAHP
95 | P á g i n a
4.3.3 ETAPA 3: DETERMINACIÒN DEL CONSUMO ENERGÈTICO Y EL COEFICIENTE DE
DESEMPEÑO MEDIENTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÒN
Debido a que es importante para el desarrollo del método de prueba propuesto en este
trabajo considerar la asistencia solar y las variaciones en las condiciones atmosféricas
durante todas las etapas de la prueba, como se ha venido mencionando, además de
considerar el uso de un sistema de adquisición de datos, se debe tomar en cuenta el
horario dentro del cual se realizarán las pruebas.
Para esta tercera etapa, se consideran periodos de prueba de 24 horas aproximadamente
por cada ciclo de extracción de agua caliente seleccionado para determinado equipo, en
base a su capacidad. En México no existe un equivalente a los ciclos de extracción
empleados en la Norma Europea y establecidos en el Mandato M/324, en su lugar se
emplea el “Número de servicios” para medir el gasto de agua caliente de forma
simultánea que un determinado equipo para calentamiento de agua puede satisfacer para
una residencia.
Cuando se habla de 1 servicio, se considera el consumo de agua promedio para el uso de
una regadera, que es de 9 litros/minuto; ½ servicio estima el consumo de un lavabo o un
fregadero (fregadero = 4.5 litros/minuto; lavabo = 6.4 litros /minuto). De acuerdo con la
Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), el consumo promedio de agua por persona al día
en el Distrito Federal es de 300 litros, sin embargo únicamente un porcentaje requiere ser
calentada. Para una ducha, acorde con varios estudios realizados, se considera que del
total de agua utilizada, el 65% corresponde a agua caliente mientras que el 35% restante
corresponde a agua fría. (ANES, 2006)
96 | P á g i n a
La suma total de ACS demandada por un hogar depende de varios factores: el número de
personas dentro de la vivienda, el equipamiento doméstico, clima y los hábitos de cada
familia (duración y número de baños por persona por día; forma de uso del equipo
doméstico). Debido a lo mencionado previamente, una recomendación práctica para el
dimensionamiento de un calentador de agua, es considerar el consumo de agua caliente
para una persona en 75 litros por persona/día, entre el agua caliente requerida para una
ducha y el uso de una lavadora de ropa o el lavado de trastes (ANES, 2006). Por lo tanto,
para un hogar promedio compuesto por 4 personas, el requerimiento de agua caliente al
día sería de 300 litros.
Es por lo anterior que, por conveniencia, para este trabajo se llevará a cabo la tercera
etapa de prueba empleando el tercer ciclo de extracción descrito en la Norma Europea
(ciclo de extracción L, o grande) que significa una extracción total de 323 litros de agua
caliente (ver Tabla 17 en el Apéndice 2).
En complemento con lo anterior, se propone la modificación en la obtención de la energía
calorífica útil producida por la bomba de calor, que es obtenida para cada extracción, que
considere la energía obtenida por radiación solar y por conducción, además de las
pérdidas suscitadas durante el proceso de transferencia de calor hacia el agua.
El diagrama de flujo de la tercera etapa de prueba se muestra a continuación en la Figura
31, señalando las modificaciones realizadas con recuadros color verde.
97 | P á g i n a
98 | P á g i n a
99 | P á g i n a
100 | P á g i n a
101 | P á g i n a
102 | P á g i n a
Figura 31 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 3 para la DXSAHP
103 | P á g i n a
4.3.4 ETAPA 4: DETERMINACION DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA Y
VOLÙMEN MÀXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE
Para el procedimiento de prueba de la cuarta etapa no existen modificaciones
importantes, únicamente se propone el uso del sistema de adquisición de datos para
registrar y evaluar la influencia de las condiciones climáticas al momento de la prueba. En
la Figura 32 se despliega el diagrama de flujo correspondiente a esta etapa señalando las
modificaciones realizadas con recuadros color verde.
104 | P á g i n a
105 | P á g i n a
Figura 32 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 4 para la DXSAHP
106 | P á g i n a
4.3.5 ETAPA 5: RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO
Debido a que la DXSAHP es un equipo no comercializado en varias partes del mundo,
incluido México, otra problemática importante que se presenta en una propuesta de
prueba para este tipo de sistemas es el establecimiento de ciertos parámetros que deben
ser estimados por fabricante. El objetivo de esta etapa, previamente mencionado en la
sección 3.2.2.5, es el de corroborar que el equipo opere adecuadamente dentro de los
límites de uso indicados por el fabricante, por lo que la aportación para esta etapa
consiste en la presentación de los valores de la temperatura mínima de la fuente de calor
(límite inferior de uso) y la temperatura máxima de la fuente de calor (límite superior de
uso) recomendados para ser considerados por los fabricantes en el establecimiento de los
límites de operación del equipo.
La temperatura mínima de la fuente de calor que se propone para esta etapa de prueba es
la temperatura ambiente mínima promedio de la región en que se encuentre operando el
equipo. Para la DXSAHP trabajando bajo las condiciones de la Ciudad de México, el límite
inferior de uso es 7°C, que es la temperatura promedio de los valores de temperatura
ambiente mínima, registrados anualmente durante los últimos 12 años en la Ciudad de
México.
El límite superior de uso depende del compresor y el fluido de trabajo seleccionado. Para
establecer el límite superior de uso, se propone el valor de la temperatura del refrigerante
a la presión máxima soportada por el compresor a la entrada, obtenida de las tablas p-T
del refrigerante empleado. El refrigerante empleado para el sistema que se pretende
evaluar en este trabajo es el R134a.
A continuación se muestra el diagrama de flujo general, con la modificación propuesta
para la quinta etapa de prueba, en la Figura 33.
107 | P á g i n a
108 | P á g i n a
Figura 33 Diagrama de flujo del procedimiento general de la etapa 5 para la DXSAHP
109 | P á g i n a
El diagrama de flujo de la Figura 34 muestra el procedimiento para el primer periodo de
calentamiento de la etapa de pruebas 5.
110 | P á g i n a
111 | P á g i n a
Figura 34 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 para la DXSAHP
112 | P á g i n a
El procedimiento para el segundo periodo de calentamiento se puede observar en el
diagrama de flujo de la Figura 35.
113 | P á g i n a
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Figura 35 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 para la DXSAHP
115 | P á g i n a
CONCLUSIONES
En este trabajo se desarrolló una propuesta del método de pruebas de una bomba de
calor de expansión directa asistida por energía solar, DXSAHP, para calentamiento de agua
sanitaria. Debido a que hasta la fecha no se cuenta con normas o procedimientos de
evaluación de DXSAHP, se necesitó tomar como base una norma vigente para bombas de
calor sin asistencia solar y un procedimiento que se basa en la medición de cinco
principales parámetros. Además, se usó un modelo matemático para simular el efecto de
las condiciones climáticas en el comportamiento de la DXSAHP.
La propuesta del método de prueba a DXSAHP desarrollada en este trabajo consideró las
condiciones ambientales promedio de la Ciudad de México, y el modelo matemático
empleado sirvió para cuantificar la interacción entre los parámetros que influyen en el
desempeño del equipo, para justificar la importancia de su inclusión en el procedimiento
de evaluación y la obtención del coeficiente de operación.
A partir de los resultados de la simulación, se observó que la radiación solar afecta
significativamente de forma positiva en la eficiencia de la DXSAHP por lo que debe ser
incluida en el método de pruebas. Así mismo, se determinó que la velocidad del viento
influye de dos formas diferentes; en primer lugar, cuando la temperatura de la superficie
del evaporador-colector es superior a la temperatura ambiente el aumento de la
velocidad del aire incrementará la disipación de calor lo que representa una pérdida de
energía. Por el contrario, cuando la temperatura de la superficie del evaporador-colector
es inferior a la temperatura ambiente el aumento de la velocidad del aire incrementará la
transferencia de calor del aire hacia la superficie del evaporador-colector lo que es
benéfico para la bomba de calor. Por esta razón la velocidad del viento también se incluyó
en el método de pruebas propuesto en este trabajo.
116 | P á g i n a
Durante el desarrollo del método de prueba a DXSAHP, aparte de la inclusión de la
asistencia solar y el efecto de otros parámetros climáticos, se identificaron varios puntos
que deben ser contemplados durante las pruebas. Por ejemplo, la necesidad de contar en
México con un parámetro clave como los ciclos de extracción para poder cuantificar la
eficiencia energética de la DXSAHP respecto del consumo real de agua por parte del
usuario. Además, la duración del periodo de pruebas se deberá ajustar, usando resultados
experimentales, pues dependiendo de la época del año se tendrán condiciones muy
variables en el desempeño de estos equipos lo que evidentemente se reflejará en su
eficiencia energética.
El método de prueba a DXSAHP mostrado en este estudio es la primera etapa de un
proceso que pretende establecer los estándares de regulación y evaluación de la eficiencia
de una DXSAHP para su promoción entre los consumidores, para la creación de programas
de apoyo y la consolidación de esta tecnología en el mercado de México.
117 | P á g i n a
RECOMENDACIONES
A lo largo de este proyecto varias interrogantes se mantienen y otras más surgieron,
relacionadas principalmente con el comportamiento de la DXSAHP sometida a cargas y
condiciones reales de operación, ya que, aunque el modelo matemático empleado para
simular el funcionamiento del sistema mostró valores de COP que se encuentran en el
rango que presentan estos equipos, no se ha validado experimentalmente.
Es por lo anterior que la recomendación principal que se desprende de este trabajo es la
puesta en práctica de forma experimental el método de evaluación propuesto, para
corregir y perfeccionar la metodología de prueba, además de validar el modelo numérico
utilizado, que en un futuro pueda incluir todos los elementos necesarios para convertirse
en una norma que regule el funcionamiento de las DXSAHP en México.
118 | P á g i n a
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125 | P á g i n a
APÈNDICE 1. REQUISITOS GENERALES DE ENSAYO DE LA NORMA
EUROPEA EN16147:2011
Tabla 9 Incertidumbres de medición para los valores indicados
126 | P á g i n a
Tabla 10 Desviaciones permitidas respecto a los valores de referencia
Tabla 11 Requisitos de presión para bombas de calor aire-agua
127 | P á g i n a
Tabla 12 Condiciones de ensayo aplicables a todos los sistemas
Tabla 13 Condiciones de ensayo aplicables a tipos de sistemas particulares
128 | P á g i n a
APÉNDICE 2. TABLAS EMPLEADAS EN METODOLOGÍA DE PRUEBA
PARA LA EVALUACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE LA NORMA
EUROPEA EN 16147:2011
Tabla 14 Caudales de extracción
129 | P á g i n a
Tabla 15 Ciclo de extracción S
130 | P á g i n a
Tabla 16 Ciclo de extracción M
131 | P á g i n a
Tabla 17 Ciclo de extracción L
132 | P á g i n a
Tabla 18 Ciclo de extracción XL
133 | P á g i n a
Tabla 19 Ciclo de extracción XXL
134 | P á g i n a
Tabla 20 Condiciones de funcionamiento
Tabla 21 Cálculo de la humedad relativa para el ensayo de rango de operaciones
Tabla 22 Presentación de los resultados principales
135 | P á g i n a
Tabla 23 Información a registrar y calcular
136 | P á g i n a
APÉNDICE 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL
Figura 36 Colector-evaporador de la DXSAHP del LABINTHAP
Figura 37 Compresor Danfoss, modelo MTZ18JAVE de la DXSAHP del LABINTHAP
137 | P á g i n a
Figura 38 Condensador de placas Alfa-Laval, modelo ACH-30EQ-10H-F, de la DXSAHP del LABINTHAP
FILTRO DESHIDRATADOR
En cualquier ciclo de refrigeración podemos encontrar sustancias dañinas para el equipo,
ya sea en estado sólido (polvo, rebabas, mugre, arena, residuos de soldadura), líquido
(agua, solventes), y gas (vapor de agua, aire) que entran al sistema durante su instalación,
mantenimiento o inclusive se encuentran presentes en algunos de sus componentes
desde su fabricación.
Cualquiera de estas sustancias produce efectos negativos en el desempeño del sistema, y
para evitar o minimizar su presencia, se recurre al uso del filtro deshidratador, que es un
dispositivo conformado por material desecante y material filtrante para remover la
humedad y otros contaminantes de un sistema de refrigeración. Se encarga de remover la
humedad excesiva (en forma gaseosa y líquida) de la mezcla de refrigerante y aceite.
Los filtros deshidratadores se dividen en 2 tipos: de material desecante suelto y de
desecante en forma de bloque moldeado. En los filtros de desecantes sueltos, la carga de
desecante se encuentra en su estado original en forma granular, compactada por un
resorte entre dos discos de metal de malla fina, o entre pequeños cojines de fibra de
vidrio. En los filtros del tipo de bloque moldeado, el bloque normalmente es fabricado
como una combinación de 2 desecantes, uno con gran capacidad para retener agua y otro,
138 | P á g i n a
ácidos. El filtro utilizado en la instalación experimental es de tipo desecante de bloque se
encuentra en la Figura 39.
Figura 39 Filtro deshidratador Emerson, modelo TD-033, de la DXSAHP del LABINTHAP
ACUMULADOR DE SUCCIÓN
En algunos casos, una mínima cantidad de líquido y en poca frecuencia puede ser tolerado
por el compresor, sin embargo es ideal que al compresor únicamente llegue gas
refrigerante, ya que cualquier retorno de líquido o exceso de carga de refrigerante puede
dañarlo. Es por esto que el uso de un acumulador de succión es necesario.
Un acumulador de succión es un recipiente o depósito a presión que retiene
temporalmente cualquier exceso de refrigerante líquido hasta que se evapora para
posteriormente enviarlo en forma de gas y en una proporción segura al compresor y así
evitar daños por una inundación inesperada.
Existen 2 tipos de acumuladores de succión: de tubo en “U” y de tubo vertical. El
acumulador de tubo en “U”, mostrado en la Figura 20, es el más simple. En caso de existir
refrigerante líquido en la línea de succión del compresor, al pasar por el acumulador, las
gotas más pesadas caen al fondo, mientras que el gas, al tener menos densidad, entra al
tubo en “U” para ser succionado por el compresor. Es el tipo de acumulador es el que se
utiliza en la DXSAHP del estudio presente. Se encuentra en la Figura 40.
139 | P á g i n a
Figura 40 Acumulador de succión Parker, modelo VA-31-4S, de la DXSAHP del LABINTHAP
VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN
Estas válvulas controlan la temperatura indirectamente controlando la presión del
elemento. En este sistema de refrigeración, nos encontramos con 2 válvulas reguladoras
de presión: de presión de cárter (o de succión del compresor) y de presión de
evaporación.
La válvula reguladora de presión de cárter se encuentra instalada en la línea de succión,
en donde su principal propósito es mantener balanceada la capacidad del sistema de
refrigeración a los requerimientos de la carga térmica. (Vea la Figura 41).
La válvula reguladora de presión de evaporación controla la temperatura del evaporador
indirectamente controlando la presión del evaporador. Conforme la carga térmica del
evaporador se incrementa, la válvula ORI (Abre Subir Entrada, por sus siglas en inglés)
abre al subir la presión de entrada, por encima de la presión de ajuste de la válvula.
Cuando la carga térmica del evaporador disminuye, la válvula cierra y modula para
mantener el ajuste de presión de la válvula. (Figura 42).
140 | P á g i n a
Ya sea que se encuentre controlando la presión de operación del evaporador o la presión
de succión del compresor, se puede conseguir que el sistema opere correctamente bajo
un amplio rango de condiciones ambientales y de carga, y ambientales, manteniendo una
eficiencia máxima del sistema.
Figura 41 Válvula reguladora de presión de cárter Danfoss, modelo KVL de la DXSAHP del LABINTHAP
Figura 42 Válvula reguladora de presión de evaporación Sporlan, modelo ORIT-6-30/100 de la DXSAHP del LABINTHAP
141 | P á g i n a
PRESOSTATO
Este elemento funciona como compuerta eléctrica para controlar el sistema de
refrigeración y proteger al compresor y a los demás elementos del circuito, en función de
la lectura de presión de un fluido.
Cuenta con un pistón interno, sobre el cual el fluido ejerce presión, si se ejerce la presión
necesaria, el pistón será desplazado hasta unir dos contactos y cerrar el circuito. Cuando
la presión disminuye, un resorte se encarga de regresar al pistón a su posición inicial,
separando a los contactos y abriendo el circuito.
La sensibilidad de disparo del presostato se ajusta a través de un tornillo, al aplicar más o
menos fuerza sobre el pistón mediante el resorte. Normalmente cuentan con 2 ajustes, el
de presión de encendido y el de presión de apagado, que funcionan de manera
independiente. El presostato propuesto en la instalación experimental se muestra en la
Figura 43.
Figura 43 Presostato Alco, de la DXSAHP del LABINTHAP
142 | P á g i n a
SEPARADOR DE ACEITE
El refrigerante, a su paso por el compresor, se mezcla con el lubricante que éste utiliza, es
por eso que a la descarga del mismo se instala un separador de aceite, que es un
dispositivo diseñado para separar el aceite lubricante del refrigerante, y regresarlo al
cárter del compresor, antes de que entre a otros componentes del sistema y provoque
mal funcionamiento de éstos así como falta de lubricación en el compresor (T&P
Refrigeración, 2009).
Depende de tres factores básicos para su operación que son incorporados en su diseño:
1. Reducción de la velocidad del refrigerante en estado gaseoso.
2. Cambio de dirección del flujo del refrigerante.
3. Superficie de choque a la cual se va a adherir el aceite lubricante.
El refrigerante mezclado con lubricante sale del compresor a alta velocidad, y a través de
la línea de descarga llega a la entrada del separador de aceite, en donde el refrigerante
queda en forma de gas sobrecalentado, con una gran velocidad. El aceite se encuentra en
forma líquida, por lo que tiene mayor densidad e inercia que el refrigerante aunque se
encuentren a la misma velocidad.
El área de sección transversal del contenedor del separador es significativamente mayor
que la del tubo de descarga del compresor, por lo que se produce una reducción en la
velocidad del gas. Al mismo tiempo, la mezcla de gas y aceite pasa a través de la malla de
choque a la entrada del separador, donde una parte del lubricante es removido del
refrigerante.
143 | P á g i n a
Figura 44 Separador de aceite de la DXSAHP del LABINTHAP
Otro porcentaje de lubricante se encuentra en forma de partículas más pequeñas, que
sólo pueden ser removidas mediante el choque entre ellas para formar partículas más
pesadas, lo cual se logra debido a la reducción de velocidad que experimenta la mezcla
entre gas refrigerante y aceite (T&P Refrigeración, 2009).
El refrigerante ya libre de aceite continúa con su trayectoria hacia el condensador,
mientras que el lubricante separado es dirigido hacia un depósito en donde es acumulado
hasta alcanzar cierta cantidad para ser regresado al cárter del compresor. El separador de
aceite utilizado en la instalación experimental se muestra en la Figura 44
MIRILLA
La mirilla es un elemento auxiliar que permite ver el estado del refrigerante en una
determinada etapa del circuito, para comprobar que se encuentre en las condiciones
adecuadas.
Existen de 2 tipos: simples y con indicador de humedad. Las simples permiten ver al
refrigerante a través del conducto y las que cuentan con indicador de humedad, muestran
el contenido de humedad en el circuito.
144 | P á g i n a
Figura 45 Mirilla de la DXSAHP del LABINTHAP
Pueden ser instaladas antes del dispositivo de expansión para comprobar que llega líquido
de forma continua al mismo. La ubicación de este dispositivo se realiza de acuerdo a las
necesidades del observador. Su función más importante es la de revelar un exceso de
humedad en el refrigerante.
El tipo de mirilla con indicador de humedad, que es la propuesta para la instalación
experimental (Véase Figura 45), cuenta con un elemento indicador, calibrado para que
cambie de color, de acuerdo con lo que se consideran niveles seguros o inseguros de
humedad, que varían de acuerdo al refrigerante que se utiliza en el sistema. Este
elemento indicador es un papel filtro poroso impregnado de una sal anhídrida de cobalto
que cambia de color en presencia o ausencia de pequeñas cantidades de humedad.
TANQUE RECIBIDOR
Dentro de un sistema de refrigeración es importante mantener un depósito de
refrigerante para garantizar un nivel adecuado del mismo dentro de la instalación y así
evitar daños a los demás equipos.
145 | P á g i n a
Cuando se cuenta con varios evaporadores, el tanque recibidor actúa como tanque de
transitorios. Si uno o varios evaporadores en dicha planta son vaciados y no se envía más
refrigerante líquido a otros evaporadores, este permanecerá almacenado en el recibidor,
disminuyendo su espacio libre en función del tamaño de los servicios y del recibidor.
Cuando los evaporadores son puestos en funcionamiento de nuevo, el nivel de
refrigerante en el tanque recibidor se verá reducido.
En evaporadores sujetos a grandes variaciones de carga, la carga de líquido refrigerante
puede variar ampliamente, por lo que se requiere de un determinado volumen de
refrigerante en el recibidor para compensar estas variaciones.
El tanque recibidor utilizado en la instalación experimental es mostrado en la Figura 46.
Figura 46 Tanque recibidor Emerson, modelo TR-100, de la DXSAHP del LABINTHAP
146 | P á g i n a
ANEXO 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ETAPAS DE PRUEBA DE LA
NORMA EUROPEA EN-16147:2011
147 | P á g i n a
148 | P á g i n a
149 | P á g i n a
150 | P á g i n a
Figura 47 Diagrama de flujo del procedimiento de Requisitos generales de la norma europea EN16147:2011
151 | P á g i n a
Figura 48 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa A de la Norma Europea EN16147:2011
152 | P á g i n a
153 | P á g i n a
Figura 49 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa B de la Norma Europea EN16147:2011
154 | P á g i n a
155 | P á g i n a
156 | P á g i n a
157 | P á g i n a
158 | P á g i n a
Figura 50 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa C de la Norma Europea EN16147:2011
159 | P á g i n a
160 | P á g i n a
161 | P á g i n a
Figura 51 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa D de la Norma Europea EN16147:2011
162 | P á g i n a
163 | P á g i n a
Figura 52 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011
164 | P á g i n a
165 | P á g i n a
166 | P á g i n a
Figura 53 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011
167 | P á g i n a
168 | P á g i n a
169 | P á g i n a
Figura 54 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011
170 | P á g i n a
Figura 55 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011
171 | P á g i n a
172 | P á g i n a
Figura 56 Diagrama de flujo del fallo 1 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011
173 | P á g i n a
174 | P á g i n a
Figura 57 Diagrama de flujo del fallo 2 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011
175 | P á g i n a
ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE REQUERIMIENTOS GENERALES
DE PRUEBA PARA LA DXSAHP
176 | P á g i n a
177 | P á g i n a
178 | P á g i n a
179 | P á g i n a