Investigadores de la Universidad china de Zhejiang han diseñado un nuevo sistema de bomba de calor termoquímica asistida por energía solar que puede utilizarse para calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS) en aplicaciones residenciales.
“En nuestro trabajo, propusimos un sistema que pretende lograr una mayor densidad de almacenamiento de energía”, explicó a pv magazine el autor principal de la investigación, Guoqing He. “El uso de una bomba de calor termoquímica nos permitió utilizar más energía solar térmica y reducir la demanda de electricidad”.
La principal característica del sistema es que se basa en un par de trabajo formado por hidróxido de sodio (NaOH), también conocido como sosa cáustica, y agua. Según el grupo de investigación, el par NaOH/agua presenta ventajas como su bajo precio, alto coeficiente de transferencia de calor, alta densidad energética, corto tiempo de recuperación y compatibilidad de temperatura de almacenamiento con los colectores solares térmicos convencionales. “Demostramos que este sistema puede funcionar con una diferencia de concentración del 70% en peso y del 30% en peso, respectivamente, para el clima de las regiones cálidas de verano y frías de invierno de China”, añadió.
El sistema consta de dos reactores de NaOH, dos intercambiadores de calor, cuatro tanques y colectores solares térmicos. “En el proceso de descarga, el reactor actúa como una bomba de calor, extrayendo calor de la fuente de baja temperatura a través de la evaporación del agua”, explicaron los académicos, señalando que los reactores de NaOH funcionan cada uno como un condensador o un evaporador. “La solución toma vapor de agua y se diluye, liberando el calor extraído junto con su energía química almacenada para calentarse. En el proceso de carga, el calor solar se utiliza para regenerar la solución mediante la desorción del vapor de la solución. La solución vuelve a concentrarse y recupera así el potencial de extraer el calor de la fuente de baja temperatura para calentarse en el siguiente ciclo”.
Los científicos simularon el rendimiento del sistema de bomba de calor suponiendo que se utiliza en una casa unifamiliar con una superficie de 220 m2 en Hangzhou (China). La demanda anual total de calefacción prevista era de 11.650 kWh, incluidos 8072 kWh de calefacción en invierno, 1298 kWh de ACS en invierno y 2280 kWh de ACS en verano.
“Durante las temporadas sin calefacción, los colectores solares térmicos cargan la solución y la mantienen a alta temperatura hasta el comienzo de la temporada de calefacción”, explican al describir el funcionamiento del sistema. “Entonces, la solución actúa como una bomba de calor, extrayendo calor de la fuente de baja temperatura y suministrándolo al edificio, junto con el calor solar de los colectores y el calor sensible almacenado en la solución. La solución se enfría y diluye al final de la temporada de calefacción, y está lista para cargarse de nuevo”.
El análisis demostró que el sistema puede alcanzar una densidad de almacenamiento de energía de 363 kWh/m3. El grupo también descubrió que la bomba de calor necesita 35,13 m2 de colectores solares y 32,47 m3 de depósitos de almacenamiento. “En comparación con el almacenamiento estacional sensible, la superficie de los colectores se reduce en un 12,5% y el espacio de almacenamiento en un 59%, con una posible reducción adicional mediante optimización”, señalaron, subrayando que el sistema propuesto es una solución válida para edificios residenciales con espacio limitado. “Los colectores dimensionados para descargar la solución durante las estaciones sin calefacción también pueden producir una cantidad significativa de calor solar para calefacción en invierno”.
El equipo de investigación también subrayó que la inversión inicial del sistema aún puede representar un reto a superar para su madurez comercial. “Nuestra bomba de calor es muy adecuada para integrarse con la energía fotovoltaica en la mayoría de los climas”, afirmó. “Sin embargo, los costes iniciales pueden seguir siendo demasiado elevados”.
De cara al futuro, los investigadores quieren realizar una simulación dinámica más detallada. Los resultados se publican en el artículo “Two-Stage Solar-NaOH Thermochemical Heat Pump Heating System for Building Heating: Operations Strategies and Theoretical Performance” (Sistema de calefacción con bomba de calor termoquímica solar de dos etapas para calefacción de edificios: estrategias operativas y rendimiento teórico), publicado recientemente en energies.
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