introducción a las bombas de calor Dr. Adelqui Fissore Schiappacasse
CONCEPTOS GENERALES DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN
Introducción Si un naufrago tiene frio enciende fuego
Introducción Y que pasa si tiene calor? T=20 T=100 T=20 T=-30
Equipo de maquina frigorífica por compresión CONDENSADOR 4 LIQUIDO T:80 C 3 VAPOR T:120 C MOTOR 1 LIQUIDO + VAPOR T: -40 C 2 COMPRESOR VAPOR T:-35 C EVAPORADOR
Ciclo de bomba de calor Aire ambiente a 25 grados T=60 C Condensador T=-10 C Evaporador T=40 C T=10 C Se puede utilizar este aire para calentar Se puede utilizar este aire para enfriar
Introducción Uso como Aire acondicionado Compresor Condensador Evaporador
Introducción Uso como calefacción Compresor Condensador Evaporador En los equipos frio calor se tienen opciones con solo un cambio en la válvula inversora de ciclo.
CONSUMO DE ENERGÍA Y EFICIENCIA
Ciclo ideal reversible Ciclo de Carnot Ciclo ideal reversible Ciclo de Carnot Balance de energía del sistema Fuente Calient e (Tc) Flujo de calor (Qc) 1 ley de la termodinámica Ley de la conservación de la Energía Qc + W = Qf Trabajo (W) Flujo de calor (Qf) Fuente fría (Tf) Si quiero enfriar Si quiero calentar
Ciclo ideal reversible Ciclo de Carnot Balance de energía del sistema Fuente Calient e (Tc) Flujo de calor (Qc) Segunda ley de la termodinámica Para ciclos ideales y reversibles Trabajo (W) Si quiero enfriar Fuente fría (Tf) Flujo de calor (Qf) Si quiero calentar
Ejemplo para calefacción Bomba de calor para calefacción Ciclo IDEAL Reversible con aire como fuente de calor Sea T interior = 21 C ( 294 K) T exterior = 5 C (278 K) COP = 294 / (294 278) = 18.4 En la práctica es imposible. Razones: - Las diferencias de temperaturas son mayores ya que se requiere un diferencial de temperatura para transferir el calor. - No se trabaja en base al ciclo ideal. - Los equipos tienen irreversibilidades y pérdidas - Existen otros consumos de energía.
Bomba de calor aire aire para calefacción Aproximándose a la realidad T=45 T=30 Ti = 21 C refrigerante en bomba de calor Aire en bomba de calor Aire Interior T=35 En realidad la bomba de calor trabaja entre 45 C (318 K) y -10 C (263 K). Te = 5 C -10 refrigerante en bomba de calor En la práctica, este ciclo tiene un COP aproximadamente entre 2 y 3. En todo caso este COP calculado considerando la T del refrigerante es una buena estimación para comparación Es fundamental mantener la temperatura del refrigerante con la menos diferencia entre la parte fría y caliente para tener un buen COP
TIPOS DE BOMBAS DE CALOR Y APLICACIONES
Tipos de bombas utilizadas para calefacción Bomba de calor utilizada en modo calefacción Aumenta la temperatura Baja la eficiencia Expansión directa Fan Coil Piso radiante T = 33 ; COP 4 a 5 Interior Agua caliente T = 42 ; COP 3 a 4 Radiadores de agua caliente T = 52 ; COP 2.5 a 3 T = 65 ; COP 1.5 a 2 Exterior Condensador Evaporador Los COP están dados considerando una bomba geotérmica típica
Tipos de bombas utilizadas para calefacción Bomba de calor utilizada en modo calefacción Interior Exterior Condensador Evaporador Aumenta la temperatura Aumenta la eficiencia
Tipos de geotermia
Otras aplicaciones Enfriamiento y Refrigeración Aplicaciones tradicionales de ciclo de refrigeración por compresión
Otras aplicaciones Agua caliente Sanitaria Temperaturas medias altas COP moderados. Muy interesante cuando se usa en combinación con fuente de calor geotérmica. Se puede aplicar como sistema integrado Calefacción + Agua caliente sanitaria Integrados: BC Calefacción Agua Caliente Sanitaria Energía Solar Térmica. Los sistemas combinados deben ser evaluados en forma independiente.
Otras aplicaciones Deshumectación - Calefacción de aire y Calentamiento de agua de piscinas Energía auxiliar (gas, petróleo) T salida > T aire ambiente Aire ambiente Agua de la piscina Enfriamiento y deshumectación Ahorros en costos de operación de aproximadamente 65% respecto a sistema tradicional con calefacción a gas y ventilación para control de humedad.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE SISTEMAS Y EVALUACIÓN DE SU COMPORTAMIENTO
Ejemplo para una bomba de calor geotérmica Resumen del modelo de cálculo de COP para calefacción Características técnicas de la bomba de calor Heating Side Outlet Water Temp Heating Side Water Flow Cooling Side Inlet Water Temp Cooling Side Inlet/Outlet Water Temp Difference Power Heating side heat capacity COP Con Tr= 15 y TC = 50 ºC, COP = 4.88 m3/h W W W/W 49.7 2.7 15.2 2.2 9,599.0 47245 4.9 50.6 2.7 15.3 2.2 9,748.5 47852 4.9 Con Tr,cor= 12.1 se obtiene COP = 4.57. La reducción es debido al menor flujo de refrigeración. El flujo real es menos que el del ensayo. El consumo de la bomba de calor para COP = 4.57 es de 10.25 Consumo proporcional de bomba del pozo: 1.07 kw Consumo total : bomba de calor + bomba de pozo = 11.35 kw Con esto se obtiene COP=4.14
Ejemplo de Comportamiento de BC Aire - Aire Te aire evap: 22 C Te aire Condensador : 24 C TC = 105 SHC = 58 W = 22.2 TC/ W = 4.6 SHC/ W = 2.63 Te aire evap: 22 C Te aire Condensador : 40 C TC = 90.7 SHC = 53.1 W = 26.7 TC/ W = 3.39 SHC/ W = 1.9 Calor Total de refrigeración (TC). Calor Sensible de refrigeración (SHC). Potencia consumida por el Compresor (kw) Se deben agregar además el consumo de los ventiladores El funcionamiento de una BC es muy dependiente de las condiciones interiores, de las exteriores y del % de carga.
Ejemplo de BC Aire Aire Evaluación horaria del COP para un sistema de enfriamiento para centro comercial en Santiago. No esta incluido el consumo de los ventiladores. 4.50 COP horario 4.00 3.50 COP 3.00 2.50 2.00 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Hora del año Se observa una gran dispersión en los valores de COP El COP promedio para todo el año (solo frio) es de 2.9 En invierno se puede hacer free cooling no esta considerado acá.
COSTOS DE OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR
Costo histórico de energéticos Valores para Colina. ELECTRICIDAD BT1 AT 4.3 GLP Normal Invierno Energia Pot FP Pot Punta Cilindros $/kwh $/kwh $/kwh $/kw $/kw $/kwh 2012 $ 101 $ 148 $ 51 $ 1,127 $ 5,827 $ 71.4 2011 $ 115 $ 160 $ 65 $ 1,098 $ 5,667 $ 77.5 2010 $ 116 $ 163 $ 65 $ 1,082 $ 6,412 $ 65.2 2009 $ 128 $ 179 $ 73 $ 1,091 $ 7,249 $ 55.1 2008 $ 122 $ 191 $ 70 $ 1,140 $ 6,844 $ 74.0 2007 $ 92 $ 159 $ 43 $ 1,160 $ 6,927 $ 58.3 2006 $ 79 $ 141 $ 34 $ 1,070 $ 6,398 $ 54.8
Costo de operación de los sistema tradicionales Para Calefacción
Costo de operación de la BC con tarifa AT 4.3 Se considera funcionamiento en modo calefacción Se considera funcionamiento de 6 meses el año Se considera que en promedio la potencia de la bomba en operación es el 20% de la potencia nominal Se consideran los valores actuales AT 4.3 de Colina. Se considera COP promedio de 2.2 Pot termica Consumo En Consumo Pot COP Consumo En Consumo Pot Costo unit Costo anual kw h/año meses/año kwh T año kw T año kwh E año kw E año $/año Consumo 2 4380 8,760.00 2.2 3981.8 51.0 $ 203,073 Pot en punta 10 12 120 2.2 54.5 5827.0 $ 317,836 Pot fuera punta 10 6 60 2.2 27.3 1127.0 $ 30,736 Total $ 551,645 Costo medio KWh E $ 138.54 Costo medio KWh T $ 62.97 El costo medio del kwh eléctrico es de 138 $/kwh (2.7 veces el valor de la energía para la tarifa El costo medio del kwh térmico es de 63 $/kwh
Costo de operación de la BC con tarifa AT 4.3 Se considera funcionamiento en modo calefacción Se considera funcionamiento de 6 meses el año Se considera que en promedio la potencia de la bomba en operación es el 60% de la potencia nominal Se consideran los valores actuales AT 4.3 de Colina. Se considera COP promedio de 2.2 Pot termica Consumo En Consumo Pot COP Consumo En Consumo Pot Costo unit Costo anual kw h/año meses/año kwh T año kw T año kwh E año kw E año $/año Consumo 6 4380 26,280.00 2.2 11945.5 51.0 $ 609,218 Pot en punta 10 12 120 2.2 54.5 5827.0 $ 317,836 Pot fuera punta 10 6 60 2.2 27.3 1127.0 $ 30,736 Total $ 957,791 Costo medio KWh E $ 80.18 Costo medio KWh T $ 36.45 El costo medio del kwh eléctrico es de 80 $/kwh (1.56 veces el valor de la energía para la tarifa) El costo medio del kwh térmico es de 36 $/kwh Para tener buenos indicadores en el funcionamiento de una bomba de calor es fundamental que esta opere muy cerca del máximo de su capacidad la mayor parte del año. Con esto: Se baja el costo por kwh Se maximiza la rentabilidad de la inversión
Costo de operación para BC en modo calefacción Ejemplo de costos de operación para bombas de calor en diferentes condiciones de operación Costo energia termica $/kwh BT1 AT 4.3 100% en punta 0% en punta COP 20% Uso 30% uso 40 % uso 65 % uso 20% Uso 40 % uso 2.2 55 62.9 49.7 43.1 35.4 26.7 24.9 3.2 38 43.3 34.1 28.7 24.3 18.3 17.1 4.2 29 33.0 26.0 22.6 18.6 14.0 13.1 COP : 2.2 Sistema tradicional sin Eficiencia Energética pero de buena calidad COP : 3.2 Sistema de BC eficiente COP : 4.2 Sistema de BC geotérmica de buena calidad. 0% en punta significa que no tiene consumo en horas de punta. Gran variabilidad en los resultados. Se tiene un factor de casi 1 a 5 en los extremos Se debe diseñar y calcular el sistema con mucho cuidado para obtener los valores apropiados
Costo de operación para BC en modo calefacción Ejemplo de costos de operación para bombas de calor en diferentes condiciones de operación Costo energia termica $/kwh BT1 AT 4.3 100% en punta 0% en punta COP 20% Uso 30% uso 40 % uso 65 % uso 20% Uso 40 % uso 2.2 55 62.9 49.7 43.1 35.4 26.7 24.9 3.2 38 43.3 34.1 28.7 24.3 18.3 17.1 4.2 29 33.0 26.0 22.6 18.6 14.0 13.1 Costo para pellet : 46 $/kwh Costo para GLP : 92 $/kwh Costos para kerosene : 77 $/kwh Los costos de inversión para un sistema de bomba de calor son mas altos que para los sistemas tradicionales. Se debe hacer una análisis económico (caso a caso y en detalle) para ver en cuanto tiempo se pagas la inversión extra. Se recomienda encargar el cálculo a un profesional externo y compentente
Ejemplo de BC Aire Aire Ejemplo de una evaluación detallada del consumo para calcular costos de operación Para el mismo ejemplo del sistema de frio para un centro comercial en Santiago se muestran los consumo de energía. No esta incluido el consumo de los ventiladores. Potencia de frio 350 Potencia horaria (kw) 300 250 200 150 100 50 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Hora del año Gran dispersión en los valores de potencia Se debe hacer una simulación detallada de la tarifa eléctrica
Simulación detallada de la tarifa eléctrica (2009) Ejemplo de BC Aire Aire Costo por energía DFP DHP 84 $/kwh 1,366 $/kw mes 8,187 $/kwmes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Consumo [kwh mes] 376,031 294,118 240,118 117,862 60,087 60,086 71,268 58,524 53,445 115,508 188,895 301,118 Potencia fuera horas punta 2,361 2,008 2,071 1,454.8 780.9 785.6 967.1 684.0 867.3 1,116.9 1,883.9 2,190 Potencia horas de punta 2,000 1,616 1,451 1,018.9 494.2 557.5 536.5 394.1 531.1 858.3 1,260.4 1,774 Punta DM1 1,018 DM2 650 DMM 834 fuera punta DFP1 2,361 DFP2 2,190 DFPM 2,276 Costos Energía 31.44 24.59 20.07 9.85 5.02 5.02 5.96 4.89 4.47 9.66 15.79 25.17 Potencia fuera horas punta 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 3.11 Potencia en horas de punta 6.83 6.83 6.83 8.34 4.05 4.56 4.39 3.23 4.35 6.83 6.83 6.83 Total mensual US $ 41.37 34.52 30.01 21.30 12.18 12.70 13.46 11.23 11.92 19.59 25.73 35.11 total anual US$ 269.12 Costo promedio 138.93 $/kwh Costo por energia 130.50 M$ Costo potencia fuera punta 34.19 M$ Costo potencia en punta 63.06 M$ Costo medio energía 1.65 veces el costos de la energía (sin considerar los costos por potencia) Ejemplo para centro comercial
GRACIAS