Investigadores de la Universidad de Durham, Reino Unido, han propuesto un nuevo diseño para bombas de calor termoeléctricas (TeHP, por sus siglas en inglés) que, según informan, aprovecha todas las ventajas que ofrece esta tecnología de bombas de calor, especialmente cuando se aplica en edificios residenciales.
Explicaron que las TeHP pueden alimentarse directamente de paneles fotovoltaicos, al tiempo que ofrecen un funcionamiento silencioso y una gran fiabilidad, debido a la ausencia de piezas móviles. También reconocieron, sin embargo, que su coeficiente de rendimiento es actualmente inferior al de las bombas de calor de compresión de vapor convencionales.
La novedad del enfoque propuesto consiste en integrar la TeHP con el almacenamiento estacional de energía solar (SSES), que, según los científicos, compensa el desajuste estacional relacionado con la potencia térmica producida eventualmente tanto por los sistemas fotovoltaicos-térmicos (PVT) como por los solares térmicos.
“Hasta donde sabemos, pocos estudios han considerado una solución de este tipo”, explicaron. “Nuestro grupo pretende llenar este vacío, y para ello hay que resolver dos cuestiones importantes”, dijeron refiriéndose a la viabilidad técnico-económica del sistema y a la cuantificación de los beneficios que puede proporcionar.
En el artículo “Modeling and Experimental Characterisation of a Water-to-Air Thermoelectric Heat Pump with Thermal Energy Storage” (Modelado y caracterización experimental de una bomba de calor termoeléctrica agua-aire con almacenamiento de energía térmica), publicado en energies, el grupo de investigación explica que el sistema experimental alimentado por corriente continua integra una unidad TeHP, un tanque de almacenamiento de calor, una caja de pruebas y un sistema de registro de datos. La unidad TeHP se basa en un módulo termoeléctrico (TeM), un disipador de calor con aletas de aluminio en el lado caliente del TeM y una placa refrigerada por agua en el lado frío del TeM.
“La capacidad total de calentamiento de la unidad TeHP puede aumentarse simplemente incrementando el número total de TeM”, explican los académicos. “Para mejorar la transferencia de calor entre el TeM y el disipador de calor, así como la transferencia de calor entre el TeM y la placa refrigerada por agua, se colocó una pasta de alta conductancia térmica en los dos lados del TeM para reducir las resistencias térmicas de contacto”.
También colocaron un ventilador de flujo cruzado en el lado del disipador de calor para mejorar el intercambio de calor entre el flujo de aire y el disipador. “El tanque de almacenamiento de calor, fabricado en acero inoxidable, tiene un diámetro interior de 250 mm, una altura de 250 mm y un espesor de 2 mm”, añadieron, señalando que se utiliza agua como fluido de transferencia de calor y medio de almacenamiento de calor. Además, un circuito de circulación de agua bombeada conecta el acumulador de calor con la placa refrigerada por agua.
En una serie de simulaciones realizadas con la herramienta de simulación TRNSYS, el equipo de investigación calculó el calor potencial generado a partir de sistemas fotovoltaicos o colectores solares térmicos y el rendimiento de la unidad TeHP en comparación con un sistema de referencia sin almacenamiento térmico. Se comprobó que la integración de las TeHP con acumuladores de calor ofrece tres ventajas principales.
En primer lugar, los académicos comprobaron que el tanque de almacenamiento aumenta la producción de calor de la TeHP en 3 C en comparación con la TeHP sin tanque. A continuación, comprobaron que el COP de la TeHP con acumulador de calor era de 1,97 y el de la TeHP sin acumulador era de 1,5. Además, la simulación demostró que el tiempo necesario para calentar la caja de pruebas se redujo en 18 m, lo que supuestamente garantiza una rápida consecución de la temperatura deseada.
Los científicos afirmaron que, aunque estos resultados son prometedores, la viabilidad técnico-económica del sistema es aún incierta. “Esto se debe a que, aunque el uso del almacenamiento de calor mejorará el rendimiento de la TeHP, también introducirá costes adicionales para las instalaciones de almacenamiento de calor en comparación con una TeHP autónoma”, subrayaron, señalando que el periodo de amortización actual del sistema se estima en 8,5 años.
De cara al futuro, el grupo de investigación tiene previsto probar la configuración del sistema en un edificio real del Reino Unido.
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