Bomba de calor transcrítica de CO2 con fuente de aire para edificios residenciales

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Investigadores de la Universidad Brunel de Londres han desarrollado un nuevo diseño de sistema para bombas de calor residenciales que utiliza dióxido de carbono (CO2) transcrítico como refrigerante.

El CO2 tiene un punto de ebullición muy bajo y se considera una solución refrigerante ideal para las bombas de calor. Además, no es tóxico ni inflamable y tiene un bajo potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés). “El CO2 tiene un GWP y un impacto sobre la destrucción de la capa de ozono mucho menores que los refrigerantes sintéticos de uso común y, utilizado en su ciclo transcrítico, puede mantener el rendimiento de las bombas de calor a temperaturas de origen más bajas y temperaturas de suministro más altas que la mayoría de los refrigerantes sintéticos”, declararon los científicos.

En el estudio “Application of transcritical CO2 heat pumps to boiler replacement in low impact refurbishment projects” (Aplicación de las bombas de calor de CO2 transcríticas a la sustitución de calderas en proyectos de rehabilitación de bajo impacto), publicado en Heliyon, el grupo de investigación explicó que las bombas de calor de CO2 llevan en el mercado desde principios de este siglo y señaló que un producto muy conocido que se comercializa actualmente es el modelo Eco Cute para calentamiento de agua doméstica (DWH), introducido por el fabricante japonés Sanyo en 2001. Estos dispositivos suelen alcanzar coeficientes de rendimiento (COP) de hasta 4 y suministran agua caliente a temperaturas de hasta 60 ºC.

Los científicos proponen un diseño de bomba de calor de CO2 transcrítica que incluye modificaciones del sistema externas al ciclo de la bomba de calor y destinadas a recuperar calor a baja temperatura. Su objetivo era crear un sistema con un COP de 3 con los mismos costes de una caldera de gas.

Mediante una serie de simulaciones, el grupo diseñó un sistema de bomba de calor de 1 kW para una casa adosada de 91 m2 del Reino Unido con distribución hidrónica del calor y 50 mm de aislamiento exterior de las paredes. Consta de un compresor, un refrigerador de gas, un intercambiador de calor interno, un evaporador, una válvula de expansión y un receptor.

La bomba de calor también integra un subsistema que incluye un intercambiador de calor de fuente de aire con congelación y descongelación, y depósitos de almacenamiento de calor con materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM pueden absorber, almacenar y liberar grandes cantidades de calor latente en rangos de temperatura definidos. Se han utilizado a menudo a nivel de investigación para la refrigeración de módulos fotovoltaicos y el almacenamiento de calor.

“El lado de la fuente de calor utiliza un líquido térmico”, explican los académicos, señalando que el líquido crea una etapa extra de intercambio de calor en la bomba de calor, pero permite utilizar múltiples fuentes de calor, al tiempo que reduce la presión y los costes de la fontanería. “La parte de calefacción modela la transferencia de calor desde el aire húmedo a través de una capa de escarcha, si la hay, hasta el intercambiador de calor. Los modelos de escarcha construyen y funden la capa de escarcha de acuerdo con los modelos matemáticos de da Silva et al. Incorporan el impacto de la capa de escarcha en la transferencia de calor y en el flujo de aire”.

Las simulaciones mostraron que el sistema de bomba de calor puede alcanzar un COP superior a 3 durante un año completo de funcionamiento, con valores máximos que oscilan entre 3,5 en invierno y 3,7 en verano. “Los resultados muestran que la demanda total anual de calefacción y ACS se satisface con COP de entre 3,14 y 3,27”, subrayaron los investigadores. “El desescarche en invierno estuvo en funcionamiento hasta un tercio del tiempo. La bomba de calor nunca se utilizó más del 25% del tiempo. El reciclaje sólo fue significativo en verano, alcanzando el 16% del tiempo de funcionamiento de la bomba de calor”.

Su análisis también demostró que, si se ayuda de paneles fotovoltaicos o colectores térmicos, el COP del sistema puede elevarse potencialmente hasta 5,1. “Con los colectores solares, y las subvenciones y precios de la energía actuales del Gobierno británico, el sistema de bomba de calor de CO2 puede alcanzar un coste nivelado de la energía (LCOE) de 0,20 libras (0,22 dólares)/kWh, un 23% menos que las 26 libras/kWh de una caldera de gas de condensación de sustitución”, explicaron además.

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