14 marzo 2010

La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle (I)


La eficiencia energética es un negocio intangible, y como todos los intangibles; no todo el mundo ve de forma directa los beneficios. Si a eso unimos que el negocio de la energía da fácil entrada a todo tipo de embaucadores y timadores que prometen beneficios asombrosos, no es de extrañar que a veces sea realmente difícil convencer al usuario de la importancia de invertir en estas tecnologías. De ahí la gran importancia que tiene el uso de herramientas y estudios serios que ayuden a tomar decisiones sobre las distintas opciones tecnológicas que están disponibles para resolver una aplicación. Tomar una decisión equivocada nos condenará durante muchos años a pagar un sobrecoste energético y perderemos competitividad.

La tecnología de bombas de calor merece ser revisada por su popularidad tanto en viejas, nuevas viviendas. Como siempre indicamos lo más importante para evitar derroches no es en sí la tecnología sino sobre todo la optimización en el diseño y el sistema de control para maximizar la eficiencia, y alcanzar los niveles más altos de sostenibilidad. Es por ello que en este artículo nos centramos fundamentalmente en la evaluación del rendimiento de las bombas de calor.

En muchos países las bombas de calor están experimentando una renovada popularidad. Aunque las bombas de calor se utilizan para calentar edificios desde hace más de 50 años, el boom de esta tecnología llegó en los 80, pero desde entonces muchas cosas han cambiado. La tecnología actual es muy avanzada y las bombas de calor actuales se adaptan a la demanda de calor y están equipadas con eficientes controles que pueden ofrecer ventajas tanto económicas como ambientales sobre los sistemas de combustibles fósiles.

Para evaluar la sostenibilidad de las bombas de calor frente a las alternativas de combustibles fósiles, bajo la dirección del Fraunhofer ISE en Alemania, se instalaron dos grandes campos de prueba en 2006. En cada proyecto, se llevaron cabo numerosas mediciones sobre bombas de calor bajo condiciones reales de operación en viviendas multi familiares.

Dentro del proyecto de control de la eficiencia de las bombas de calor, se estudió la eficiencia de las bombas de calor modernas. Para ello se instalaron bombas de calor en edificios muy eficientes en energía, con una carga anual de calentamiento de 20-50 kWh/m2 – equivalente a 2-5 litros de combustible por m2.

Considerando que los edificios construidos antes de 1980 son responsables en Alemania del 90% del total de energía consumida, el ahorro potencial es mucho mayor que en las estructuras modernas de alta eficiencia.

Eficiencia de las bombas de calor

Las bombas de calor analizadas en el proyecto son de pequeña y capacidad, entre 5 y 10 kW térmicos, y con fuentes de calor diversas (bombas de calor aire-agua, bombas de calor suelo-agua y bombas de calor de agua subterránea agua-agua. El estudio se llevó a cabo con más de cien unidades de bombas de calor proporcionadas por productores. El objetivo del proyecto fuel valorar la eficiencia bajo diferentes condiciones de operación y en diferentes configuraciones, y los resultados podrán usarse para desarrollar conceptos de uso de bombas de calor de pequeña capacidad que nuevas construcciones. Adicionalmente, se examinan la pérdida de refrigerante bajo condiciones reales en algunas de las unidades y durante cuatro años.

En un segundo proyecto, el rendimiento de unas 75 unidades de productores principales fue medido bajo condiciones de operación reales. Debido a su alta temperatura del fluido de alimentación, estas bombas son especialmente adecuadas para el uso en edificios antiguos. En este proyecto el objetivo fue comparar sistemas de bombas de calor con calderas diesel centralizadas y analizar la rentabilidad y los gases de efecto invernadero. El proyecto fue ejecutado por E.ON Energy AG, y todos los resultados son públicos.

Cuantificación de los beneficios de las bombas de calor

El propósito del estudio fue llevar a cabo ensayos de campo para evaluar los límites del consumo de energía térmica y los standard de aislamiento con respecto a la operación de la bomba de calor. Como hemos visto recientemente en detalle, de nada vale calentar/enfriar si luego la energía se derrocha por no haber previsto un aislamiento suficiente.
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A nuestro parecer, este estudio es de una gran importancia pues si bien realmente es bastante sencillo, entra en detalle sobre un concepto realmente importante para los profesionales que abordan proyectos de eficiencia energética: La relación entre la producción de energía y la envolvente del edificio.
Entre los objetivos del prestigioso instituto Fraunhofer se encontraba también determinar los requisitos mínimos que deben cumplir la envolvente del edificio y el sistema de distribución de calor. Los sistemas de distribución de energía son también partes del sistema donde el derroche de energía puede ser realmente serio, hablaremos de ello en otro artículo en su momento.
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El instituto definió también los prerrequisitos bajo los cuales funcionan las bombas de calor y estableció en 55 ºC la temperatura de alimentación, aunque la mayoría de las bombas de calor están aprobadas para suministrar temperaturas de hasta 65 ºC
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Eficiencia de las bombas de calor.
Hay principalmente dos factores que describen la eficiencia de las bombas de calor. Primero, el coeficiente de rendimiento (COP), que se determina mediante condiciones de ensayo standard para ciertos puntos de operación y/o para varios puntos de operación típicos. Segundo, el factor de rendimiento estacional (SPF).
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Resultados obtenidos

El estudio demostró la eficiencia de calor, especialmente la de las bombas geotérmicas. También se demostró que es todavía necesario avanzar en la optimización de la integración de la unidad en el sistema de alimentación para la casa y las estrategias de control de la bomba de calor. Así, una fuente de calor inadecuadamente integrada o un disipador incorrectamente diseñado puede decrecer el factor de rendimiento estacional de la bomba de calor.
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El SPF alcanzado es 3,8, aunque varios indicios confirman que el SPF por encima de 4 puede ser pronto alcanzado. Cuando se usan solamente para producir calor, el valor de SPF es 4,1 en las nuevas construcciones.

Ver 2ª PARTE

Bibliografía: Heat pumps in action. Renewable Energy World Magazine. September-October 2009.

Palabras clave: Heat pump efficiency, coefficient of performance (COP), seasonal performance conditions (SPF), ground source heat pump
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