ETO - Las Bombas de Calor y la temperatura del medio ambiente

Javier TRESPALACIOS

Las Bombas de Calor y la temperatura del medio ambiente La temperatura del medio ambiente cómo el agua, suelo, aire y desechos térmicos1 (ex: aguas de alcantarilla) son una fuente de energía renovable, gratis y abundante, la cual puede ser aprovechada por tecnologías como las Bombas de Calor2 (BC).

1. Que es una Bomba de Calor (BC) La Bomba de Calor (BC) es una maquina frigorífica3 (ex: refrigerador) en la cual un fluido refrigerante4 absorbe la temperatura del ambiente y la transforma en energía térmica por medio de energía mecánica5.

La BC se utiliza para la calefacción de edificios, producción de agua caliente AC y combinando los dos anterior; también se utiliza para calentar piscinas, ciertas aplicaciones industriales o para aportar energía en un sistema de calefacción a distancia 6 (CAD).

1. Evaporador: transfiere el calor del ambiente (fuente fría) a un fluido refrigerante; su trabajo es semejante al de un intercambiador de calor.

2. Compresor: comprime el fluido refrigerante por medio de la energía mecánica de un compresor, aumentando su presión que hace aumentar la temperatura de este.

3. Condensador: es donde se cede el calor que tiene el fluido refrigerante a la fuente que se calentara (fuente caliente).

4. Válvula de expansión: reduce la presión del fluido refrigerante después de salir del condensador.

5. Fluido refrigerante: es el fluido que circula en el interior de la Bomba de Calor (BC), absorbe el calor del ambiente (fuente fría) y cede calor para calentar (fuente caliente); este Desechos térmicos: son considerados el agua usada o de alcantarilla, el aire usado o viciado, y los desechos industriales en forma de aire o líquidos, de los anteriores se pueden recuperar su calor y/o energía.

2 Bombas de Calor (BC): en francés se conocen como Pompe à Chaleur (PAC), en ingles Heat Pump (HP).

3 Maquina frigorífica: es una maquina térmica, que hace circular de forma cíclica y cerrada (circuito cerrado) un fluido refrigerante, el cual cambia de estado por medio de una temperatura externa y que aumenta su temperatura al aumentar su presión comprimiéndolo por medio de un compresor; el fluido que circula normalmente es un gas.

4 Fluido refrigerante: también puede ser llamado fluido frigorífico, el cual es capaz de cambiar de fase de un estado líquido a un estado de vapor o en el sentido contrario cuando es sometido a altas presiones. Pueden ser gases o líquidos.

5 Energía mecánica: es el trabajo mecánico que realiza un compresor dentro de una BC, cuando comprime el fluido refrigerante.

6 Calefacción a distancia - CAD: es un sistema de distribución de calor urbano por medio de tuberías enterradas y los edificios se conectan a esta.

1

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Las Bombas de Calor y la temperatura del medio ambiente

Los principales componentes de una Bomba de Calor son:

1

Javier TRESPALACIOS

fluido tiene la propiedad de cambiar de estado o fase de líquido –> vapor y de vapor –> líquido; casi siempre este fluido es un gas.

6. Fuente fría: es el elemento que aporta la temperatura al fluido refrigerante durante su paso por el evaporador; una fuente fría es el agua, el aire, el suelo o desechos térmicos.

7. Fuente caliente: es el elemento que absorbe el calor del fluido refrigerante en el condensador, por ejemplo, un sistema de distribución de calefacción.

Imagen 1: esquema y funcionamiento de una Bomba de Calor y sus componentes [1]7

La imagen 1 muestra cómo es el funcionamiento8 de una Bomba de Calor:

Por ejemplo una Bomba de Calor que utiliza un lago con una temperatura a 10°C como fuente fría que capta el fluido refrigerante en estado líquido en el evaporador cambiando a un estado de vapor, continuando a pasar por el compresor donde es comprimido aumentando su temperatura (alta temperatura9) y presión, para atravesar el condensador donde entrega el calor a una temperatura de 45°C a la fuente caliente (ex: para la Palabras en francés: Détendeur = Válvula de expansión; Source froide = Fuente fría; Source chaude = Fuente caliente; Basse = Baja; Haute = Alta; Etat = Estado.

8 Una Bomba de Calor (BC) funciona según el principio de ciclos termodinámicos, donde una maquina frigorífica térmica donde un fluido refrigerante circula dentro de un circuito cerrado y cíclico.

9 Alta temperatura: es la designación dada a la temperatura cuando sale del compresor y va a entrar al condensador.

7

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: 1. Que es una Bomba de Calor (BC)

➢ Etapa 1: el fluido refrigerante sale del evaporador donde capto el calor de la fuente fría, y donde cambio a de un estado líquido a un estado de vapor, la presión en este momento es baja. ➢ Etapa 2: el fluido en estado de vapor es comprimido por el compresor (que es alimentado eléctricamente) llevándolo a una alta presión, que hace aumentar su temperatura. ➢ Etapa 3: el fluido en estado de vapor con una alta presión y temperatura cede su energía térmica a una fuente caliente, el fluido al salir del condensador cambia de fase a un estado líquido, pero aun con una alta presión. ➢ Etapa 4: ya en estado líquido y con baja temperatura pasa por la válvula de expansión para bajar su presión la cual genera también una nueva baja de temperatura; el fluido ya está listo para pasar por el evaporador donde absorberá de nuevo la temperatura del medio ambiente y cambiar a un estado de vapor.

2

Javier TRESPALACIOS

calefacciĂłn) saliendo en un estado lĂ­quido ya en con una baja temperatura10 pero con una alta presiĂłn, siguiendo su camino a una vĂĄlvula de expansiĂłn donde baja su presiĂłn y su temperatura, estando ya listo para recomenzar un nuevo ciclo en el evaporador.

La eficiencia11 de una Bomba de Calor (BC) se mide con el Coeficiente de Performance - COP el cual es el reporte de la cantidad de energĂ­a tĂŠrmica cedida (KWh) y la energĂ­a elĂŠctrica (KWh) utilizada por el compresor; la ecuaciĂłn es la siguiente: đ??śđ?‘‚đ?‘ƒ =

EnergĂ­a transferida por el condensador EnergĂ­a elĂŠctrica utilizada por el compresor

Mientras el COP sea mayor la Bomba de Calor es mejor; la imagen siguiente muestra el ejemplo de una Bomba de Calor de COP 4, donde la reparticiĂłn es de 75% la fuente frĂ­a y 25% la energĂ­a elĂŠctrica para comprimir el fluido:

Imagen 2: ejemplo de una Bomba de Calor de COP 4 [1] 12

Las BC se dividen según la fuente de captación de energía (fuente fría), puede ser el aire AerotÊrmicas, el agua – HidrotÊrmicas (aguas subterråneas o de superficie), el suelo - GeotÊrmica y desechos tÊrmicos (agua usada, o aire de procesos industriales y otros).

En la imagen siguiente se puede ver la temperatura durante el aĂąo de las fuentes frĂ­as como el aire, el suelo a 1m, el agua de superficie y el agua subterrĂĄnea:

Baja temperatura: es la designaciĂłn dada a la temperatura cuando sale del evaporador y condensador.

Eficiencia: es la capacidad para realizar o cumplir una funciĂłn o trabajo a realizar.

12 Palabras en francĂŠs: Chauffage = CalefacciĂłn; Sol = Suelo; Eau = Agua.

10 11

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: 2. ClasificaciĂłn de las Bombas de Calor

2. ClasificaciĂłn de las Bombas de Calor

3

Javier TRESPALACIOS

Imagen 3: temperaturas durante el año en Suiza de las fuentes frías agua de superficie (ex: lagos), suelo a 1m, temperatura media del exterior y agua subterránea [5] 13

Las BC son enunciadas de la siguiente forma, Aire / Agua quiere decir que la fuente fría es el aire y fuente caliente es el agua.

La fuente a la cual se le cede el calor la fuente caliente se divide en dos: hidráulicas y aérobicas; en los nuevos edificios la calefacción se hace a baja temperatura (<45°C) por ejemplo por medio de un suelo radiante14, o un ventilo convector de agua15 o un Multi Split16.

➢ Bombas de Calor Aerotérmicas: el aire es una fuente de energía ilimitada, pero presenta variaciones importantes de temperatura durante el día y las estaciones; las temperaturas oscilan entre -15°C y 35°C; pueden ser:

Palabras en francés: Terrain = Terreno; Moyenne = Promedio; Eaux = Aguas.

Suelo radiante: es un sistema de calefacción que se hace por el suelo.

15 Ventilo convector de agua: utiliza el mismo principio de un radiador por donde circula agua caliente, lo que cambia es que tiene un ventilador.

16 Multi Split: es un sistema que cuenta con una unidad compacta que contiene un condensador y compresor, en casi todos los casos ubicada en el exterior del lugar a calentar, el evaporador esta en varias unidades ubicadas en los lugares que se calentara, estas unidades son llamadas Split (este es un elemento que hace pasar el aire por su interior, calentándolo).

13 14

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: 2. Clasificación de las Bombas de Calor

Las Bombas de Calor se clasifican según su fuente fría en:

4

Javier TRESPALACIOS Tipo Aire / Aire Aire / Agua

Fuente fría Aire

Fuente caliente El aire pasa por el interior del evaporador y toma el calor de este

Aire

El fluido cede su energía a un sistema de distribución de agua caliente para la calefacción por ejemplo suelo radiante Tabla 1: tipos de bombas de calor Aerotérmicas

➢ Bombas de Calor Hidrotérmicas: el agua (agua subterránea, ríos o lagos) es la fuente fría; para poder utilizarla es importante conocer el caudal17 o el volumen de agua presente: Tipo Agua / Agua

Fuente fría Agua

Fuente caliente El fluido cede su energía a un sistema de distribución de agua caliente para la calefacción por ejemplo suelo radiante Tabla 2: tipos de bombas de calor Hidrotérmicas

➢ Bombas de Calor Geotérmicas: el suelo es un generador de calor; a partir de 10m desde la superficie, el suelo presenta aproximadamente una temperatura constante durante todo el año; los tipos son: Tipo Agua glicol18 / Agua Suelo / Agua Suelo / Suelo

Fuente fría Fuente caliente La captación se hace por medio de un El fluido cede su energía a un sistema captador horizontal19 o sonda vertical20 de distribución de agua caliente para la en el suelo que contienen agua glicol calefacción por ejemplo suelo radiante El fluido refrigerante de la BC capta El fluido cede su energía a un sistema directamente el calor durante su paso de distribución de agua caliente para la por el suelo calefacción por ejemplo suelo radiante El fluido refrigerante de la BC capta El fluido refrigerante de la BC sede su directamente el calor durante su paso calor durante su paso por el suelo por el suelo radiante Tabla 3: tipos de bombas de calor Geotérmicas

Tipo Agua glicol /

Fuente fría La captación se hace sobre una fuente

Fuente caliente El fluido cede su energía a un sistema de distribución de agua caliente para la calefacción o algún otro proceso

Caudal: es por ejemplo la cantidad de agua que lleva un rio, se puede decir que cuando llueve aumenta el caudal.

Agua glicol: es conocida también como agua glicolada o mezcla de agua glicol; este fluido tiene la capacidad de captar o ceder calor, esta propiedad se llama calor especifico.

19 Captor horizontal geotérmico: es una serie de tuberías en muchos casos de polietileno separadas a una distancia aproximada de 50cm sobre la superficie de un terreno, la superficie la define las necesidades térmicas y el tipo de suelo; estas se colocan entre 1m y 2m de profundidad; no se puede sembrar árboles sobre este lugar.

20 Captación por sonda vertical geotérmica: consiste en una o varias perforaciones de entre 15cm y 25cm de diámetro, a profundidades entre 50m y 150m aproximadamente.

17 18

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: 2. Clasificación de las Bombas de Calor

➢ Bombas de Calor Desechos térmicos: puede ser el agua de alcantarilla (agua usada) o el aire viciado de un local o el desecho de un proceso industrial, el elemento que aporta el calor (fuente fría); en la mayoría de los casos la captación se hace por medio de un circuito intermedio de agua glicol:

5

Javier TRESPALACIOS Agua

Aire / Agua

liquida por medio de un circuito de agua glicol Capta se hace sobre El fluido cede su energía a un sistema de distribución de una fuente de aire agua caliente para la calefacción o algún otro proceso Tabla 4: tipos de bombas de calor desechos térmicos

3. Fluidos del circuito o fluido refrigerante Es el fluido21 que circula de manera cerrada y cíclica dentro de una Bomba de Calor siendo el responsable de captar el calor de la fuente fría y ceder calor a una fuente caliente; junto al compresor es el elemento más importante de una BC; este fluido debe tener propiedades para cambiar de fase liquida a vapor y viceversa. En la mayoría de los casos este fluido es un gas.

Resumen La temperatura del agua, suelo, aire y desechos térmicos nos brinda una fuente de energía renovable, gratis e inagotable que se puede aprovechar por medio de tecnologías como las Bombas de Calor.

Saber más: 1. El principio termodinámico de Carnot: la Bomba de Calor es una maquina termodinámica, sus principios fueron establecidos por el físico e ingeniero conocido como el padre de la termodinámica el francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 182422 .

3. Quien invento la Bomba de Calor: la primera bomba de calor data de 1940, y se le atribuye al americano Robert C. Webber; pero la crisis petrolera de los 70’s impulso la investigación en mejorar la eficiencia de estos equipos destacándose James Bose profesor de la Universidad Estatal de Oklahoma.

Fluido: el termino engloba a los líquidos y gases.

En 1824, Carnot hace la presentación de este principio en su libro “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”; donde expone todas sus ideas que dan forma al segundo principio de la termodinámica, donde introduce el principio de la transición cíclica y enuncia lo que hoy conocemos como el principio o ciclo de Carnot (ciclo reversible ditermo, compuesto por dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas); más tarde estos trabajos fueron difundidos por el alemán Rudolf Clausius.

21 22

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: 3. Fluidos del circuito o fluido refrigerante

2. Los principios de la Bomba de Calor: el inglés Lord Kelvin también conocido como William Thomson en 1852 utiliza los conceptos cíclicos de Carnot para establecer las bases para la creación de las bombas de calor para enfriar o calentar.

6

Javier TRESPALACIOS

Imagen 4: evolución histórica de la eficiencia del COP en las BC Aerotérmicas y geotérmicas [16]

4. Uso de las Bombas de Calor: las BC pueden ser utilizadas para calentar o refrigerar, invirtiendo el ciclo del fluido refrigerante.

5. Funcionamiento de una Bombas de Calor: la imagen siguiente muestra un esquema de cuáles son las temperaturas y presiones del fluido refrigerante dentro de la Bomba de Calor.

Imagen 5: esquema de funcionamiento de una Bomba de Calor [12] 23

El esquema muestra el trabajo que hace el fluido refrigerante durante su circulación dentro de la Bomba de Calor (BC); el fluido entra en el evaporador en forma líquida a 0°C y 2bars, cuando capta el calor de la fuente fría cambia a un estado de vapor aumentando su temperatura a 8°C y 2bars, ya listo para entrar en el compresor donde aumenta su presión que hace aumentar su temperatura a 45°C y 10bars, continua al condensador donde cede su calor a la fuente caliente saliendo con una temperatura de 35°C y 10bars, su siguiente paso es la válvula de expansión donde baja su presión y su temperatura 0°C y 2bars, estando el fluido listo para un nuevo ciclo.

a. Fluido refrigerante: hasta los 80’s fueron utilizados los CFC (Cloro Fluoruro Carbono) cómo el R12 y el R502 los cuales fueron suspendido 24 por su daño al planeta; 23

Palabras en francés: Chaude = Caliente; Froide = Fría; Source = Fuente.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

6. Más información sobre los componentes de una de Bomba de Calor: los siguientes:

7

Javier TRESPALACIOS

actualmente y envía de dejar de ser utilizados están los refrigerantes sintéticos HFC (Hidro Fluoruro de Carbonos)25 cómo el R134a, el R407c, el R404a, el R410a, también están los fluidos refrigerantes de origen natural como el amoniaco (R717), el CO2 (R744) y propano (R290) los cuales no son nocivos para la capa de ozono ni para el efecto invernadero.

En la imagen siguiente se puede ver el ejemplo de un ciclo termodinámico de un fluido refrigerante dentro de una Bomba de Calor, representado en el diagrama de Mollier26 (cada fluido tiene su diagrama):

Imagen 6: ciclo termodinámico de un fluido refrigerante dentro de una Bomba de Calor (fuentes: http://formation.cetiat.fr/fr/formation/conception-des-materiels-de-climatisation-et-des-pompes-achaleur-pac,FLUID3.html y https://reseau.batiactu.com/Pompe-chaleur-geothermie-r4129)

Hay que recordar que el ciclo termodinámico de un fluido refrigerante muestra en el diagrama de Mollier, como cambia de fase liquida a vapor -> líquido, después a vapor y repite el ciclo.

Imagen 7: diagrama de Mollier de un fluido cualquiera [14]

Los CFC: son gases que fueron suspendidos por la destrucción que hacían a la capa de ozono.

Los HFC: son gases con efecto invernadero.

26 Diagrama de Mollier: es un plano semilogarítmico la presión vs entalpia de un fluido refrigerante; se utiliza para estudiar sistemas o maquinas frigoríficas; la entalpia la cual tiene como símbolo la H, representa la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.

24 25

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Las situaciones por las que pasan los fluidos tienen nombres cómo:

8

Javier TRESPALACIOS

• • •

Isotérmico: temperatura constante.

Isoentálpica: entalpia27 constante.

Isobárico: presión constante.

En resumen, el diagrama de Mollier de un fluido refrigerante, nos da los valores de temperatura, presión y entalpia, durante el trabajo cíclico de una Bomba de Calor. b. Compresor: este elemento puede ser un motor eléctrico para generar la energía mecánica, a este lo llamamos Bomba de Calor eléctrica, son las más utilizadas, también están las Bombas de Calor con gas donde un motor alimentado con gas genera mucha más potencia.

Para tener una BC aún más eficiente, verde o sostenible la electricidad que consuma el compresor puede ser renovable por medio de un sistema solar fotovoltaico. c. Acumulador: del lado del utilizador la fuente caliente puede calentar agua que se puede almacenar en un balón o tanque.

7. Tipos de funcionamientos de una Bomba de Calor: las BC pueden ser utilizadas para calentar el fluido de un sistema de calefacción en un edificio; esta se puede dar de 4 formas:

Mono energético

Bivalente paralelo

Bivalente alternativo

27

Producción de calor BC únicamente BC y un refuerzo eléctrico

Parte anual de utilización de la BC 100%

Funcionamiento

La BC se ocupa completamente de calentar el edificio Entre 95% y 98% La BC funciona hasta cierta temperatura, cuando esta no tiene la temperatura necesaria el refuerzo eléctrico ayuda como complemento para lograr la temperatura que necesita el sistema para calentar BC y una Entre 70% y 90% La BC funciona hasta cierta temperatura, caldera cuando esta no tiene la temperatura necesaria la caldera ayuda como complemento para lograr la temperatura que necesita el sistema para calentar BC y una Entre 50% y 70% La BC funciona hasta cierta temperatura, caldera cuando esta no tiene la temperatura necesaria para trabajar se para y es la caldera quien se ocupa al completo Tabla 5: tipos de funcionamiento de las BC

Entalpia: representa la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Modo de funcionamiento Monovalente

9

Javier TRESPALACIOS

8. Clasificación de las Bomba de Calor según la forma de captar la fuente fría: según la dificultad para la captación o la posibilidad de causar daño28 a la BC la fuente fría puede ser tomada directamente o indirectamente con un circuito intermedio.

Imagen 8: ejemplos de fuente fría directa e indirecta [5]

Una de esas fuentes frías indirecta o intermediaria es el Agua glicol; importante mencionar que hay una gran diferencia entre el agua y agua glicol; las concentraciones pueden ser de 30% y 50% en función de la fuente fría y la temperatura que necesita el evaporador.

i.

ii.

iii.

28

BC trabajo directo: donde el fluido refrigerante de la BC es quien tiene contacto directo, el condensador con la fuente fría y el evaporador la fuente caliente; ejemplo aire / aire.

BC trabajo mixto: donde el fluido refrigerante circula de forma cerrada dentro de la BC, el evaporador es quien capta directamente la fuente fría y el condensador cede indirectamente el calor a un circuito cerrado intermediario; ejemplo aire / suelo, suelo / agua; también puede ser el mismo componente, pero del lado fuente fría (evaporador).

BC trabajo de fluidos intermediarios: el fluido refrigerante circula dentro de la BC, un circuito intermediario cerrado de agua caliente es la fuente caliente que toma el calor del condensador y otro circuito cerrado intermediario que contiene agua o agua glicol se encarga de captar el calor como fuente fría pasándolo al evaporador; ejemplo agua / agua, agua glicol / agua.

Por ejemplo, puede causarle corrosión.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Esa circulación también tiene una clasificación según la forma en que circula el fluido por la BC para captar el calor de la fuente fría y para cederlo en la fuente caliente; esta clasificación es la siguiente:

10

Javier TRESPALACIOS

9. Clasificación de las Bomba de Calor: ya se mencionó que las BC se clasifican en 4 grupos según la forma de captar el calor del medio ambiente, estas son las Aerotérmicas, Hidrotérmicas, Geotérmicas y Recuperadoras de calor: a. Bombas de Calor Aerotérmicas: la fuente fría es el aire exterior, este tipo de BC pueden ser Aire / Agua siendo un Multi Split cómo fuente caliente, un ejemplo completo está en la imagen siguiente.

Imagen 9: Bomba de Calor Aire / Agua, con un sistema multi Split (fuente: http://www.gasfriocalor.com/bomba-de-calor-samsung-rd140phxea-unidadexterior)

El aire que se capta del lado de la fuente fría puede ser de 2 formas: i.

ii.

Dinámica: donde un ventilador es utilizado para barrer una parte del aire que se necesita como fuente fría para intercambiar con el fluido refrigerante; interesante porque es una tecnología que utiliza poco espacio, pero puede ser desagradable por el ruido que el ventilador produce.

Estático: el captor es de gran dimensión para que circule el aire de forma natural y pueda ser captado (no necesita de un ventilador); usa un circuito intermedio que contiene un fluido agua glicol.

b. Bombas de Calor Hidrotérmicas: la fuente fría es el agua de un lago, agua subterránea, rio o un estanque; su captación se puede hacer directa o indirectamente por medio en un circuito intermediario se dividen en: i.

El agua subterránea: esta agua puede tener una temperatura media de 7°C a 12°C relativamente constante durante el año.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Las Bombas de Calor aire no necesitan de autorización especial para instalarse.

11

Javier TRESPALACIOS

Este potencial es dado el agua que se filtra por rocas de tipo porosas (éboulis, arena); se puede decir que cerca de un rio o un lago se encontrara este recurso. Esta agua subterránea se puede encontrar a partir de 4m aumentando su temperatura con la profundidad, la cual tiene influencia del agua que se filtra desde la superficie y de la temperatura exterior.

Para el uso de esta fuente se debe tener una autorización y la captación se hace por medio de un circuito intermedio en la mayoría de los casos. ii.

El agua de superficie (lagos, ríos y estanques): esta agua tiene una variación de temperatura durante el año, motivo por el cual no es conveniente hacer un sistema monovalente; la captación puede ser estática donde el evaporador está dentro del agua o dinámica cuando se utiliza un circuito intermediario.

Imagen 10: la temperatura del agua es captada indirecta por un intercambiador con un circuito intermediario [5] 29

c. Bombas de Calor Geotérmicas: en función de la profundidad, el suelo presenta temperaturas relativamente constantes durante todo el año.

El calor del suelo hasta aproximadamente 2m es el calor de los rayos de sol; el poder calorífico o fuente de calor del suelo depende de la naturaleza del suelo, las condiciones atmosféricas y su contenido de agua.

i.

29

Captación horizontal: la captación se hace atreves de una red de tubos sintéticos enterrados entre 0.6m y 1.6m, beneficiándose de la inercia térmica del suelo en invierno y verano; el aporte térmico podría estar entre 10W/m2 para suelos secos y 30W/m2 para suelos húmedos. Algunas

Palabras en francés: Mur = Muro; Vers = Dirección; Eau = Agua.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Se dividen según su forma de captación:

12

Javier TRESPALACIOS

regiones ponen a disposición información sobre el potencial térmico del suelo cómo en la región de Vendée en Francia.

Imagen 11: potencial térmico del suelo para una aplicación de una BC geotérmica horizontal [9]

La temperatura a una profundidad de 0.8m en promedio tiene durante el año una temperatura entre -5 y 17°C (en Vendée - Francia); este calor es aportado por los rayos de sol, las lluvias y la temperatura exterior, todo en función del tipo de suelo.

Imagen 12: Bomba de Calor Suelo / Suelo, con un sistema geotérmico horizontal (fuentes: http://www.solargal.com/servicios/geotermia-0537s.html y https://reseau.batiactu.com/Pompe-chaleur-geothermie-r4129)

ii.

30

Captación vertical: la captación se hace por medio de sondas geotérmicas que son tubos de polietileno30 (PE) en U, casi siempre dentro de este

Polietileno (PE): es un polímero simple, utilizado para una gran cantidad de productos.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Las BC geotérmicas horizontales, es una solución simple; de manera general se utiliza agua glicol, pero el inconveniente es que según las necesidades térmicas se necesita una gran superficie.

13

Javier TRESPALACIOS

circuito va agua glicol también se utiliza CO2 en estado líquido; estas sondas se introducen en las perforaciones que se realizan; la profundidad está relacionada con las necesidades térmicas y el tipo de suelo donde se instalara el sistema. El potencial térmico del suelo puede variar entre 25W/m y 80W/m; la profundidad es entre 50m y 350m; es importante mencionar que una captación vertical necesita una superficie más pequeña que una captación horizontal; se pueden colocar varias sondas a una distancia de 6m y 10m entre ellas. El suelo puede aportar temperaturas entre 3 y 5°C. La imagen siguiente muestra la carta del potencial geotérmico de la región de Cataluña en España.

Imagen 13: potencial geotérmico para el estudio de un proyecto BC geotérmica vertical [10]

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

Para instalar este sistema hay que tener en cuenta: 1. El tipo de suelo, 2. El número de sondas, 3. La profundidad de la sonda, 4. La distancia entre sondas, 5. El diámetro de los tubos de la sonda. Es importante decir que para aplicar esta técnica se necesita un permiso especial.

14

Javier TRESPALACIOS

Imagen 14: ejemplo de instalación de BC geotérmica vertical con una sonda doble U [10] [11]

d. Desechos térmicos: también llamado recuperación de calor31, donde se valorizan los desechos como el agua de alcantarilla (también llamada agua usada), el aire usado (también llamado aire viciado) y los desechos de procesos industriales como aire o líquidos; los tipos de desechos térmicos para la BC son: Agua usada: la recuperación se puede hacer en tres lugares 1. a la salida del edificio, 2. en las canalizaciones de alcantarilla de las ciudades y 3. a la salida de las estaciones de tratamiento de agua; en una ciudad como Burdeos en Francia la temperatura media del agua que circula por las alcantarillas esta entre 13°C en invierno y 20°C en verano. En la imagen siguiente se puede ver un esquema representativo de cómo es una instalación que recupera calor del agua usada, también una foto de cómo es el circuito intermediario para captar el calor (fuente fría) en las canalizaciones.

Imagen 15: Bomba de Calor Agua glicol / Agua, sistema de recuperación de calor de aguas usadas (fuentes: http://www.plateformesolutionsclimat.org/solution/degres-bleusrrecuperer-les-calories-des-eaux-usees-pour-chauffer-ou-climatiser-tous-types-debatiments/ y [4]) 31

Recuperación de calor: entre las tecnologías de recuperación de calor están los intercambiadores de calor.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

i.

15

Javier TRESPALACIOS

Para la captación es importante tener un caudal constate con el objetivo que cubra el circuito intermediario que tomara el calor. ii.

Aire usado: el aire también es una fuente de energía como el que se evacua de locales donde están animales o personas.

En un establo con animales se puede hacer una clara recuperación de energía por medio de la temperatura del aire que circula; por ejemplo, una vaca de 500kg expulsa 1000W de calor corporal, un cerdo de 100kg expulsa 200W; este calor puede ser utilizado como fuente fría; un esquema de recuperación del aire de un establo se puede ver en imagen siguiente.

Imagen 16: esquema de recuperación de calor del aire caliente de un establo de animales [13]

iii.

Desechos industriales: el vapor y el agua de procesos industriales son también una fuente de recuperación de energía, colocando tecnologías como las BC.

a. Aire: este fluido presenta una baja inercia térmica32 que permite tomar temperaturas rápidamente, pero en forma contraria se sentirá frio rápidamente cuando el sistema pare, lo anterior es un inconveniente o un beneficio según su tipo de uso; esta tecnología puede ser de 2 tipos: i. Instalación centralizada: donde un solo condensador se ocupa de la distribución de calor.

Inercia térmica: esto significa, por ejemplo, donde busca que el almacenamiento de calor se haga en las paredes o suelo.

32

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

10. Fuente caliente: las Bombas de Calor pueden hacer aportes de energía de tipo a baja temperatura en la cual pueden aportar temperaturas entre 35°C y 45°C, y las de alta temperatura más de 55°C; podemos mencionar:

16

Javier TRESPALACIOS

ii.

InstalaciĂłn descentralizada: donde hay presente varios ventilo convectores que se encargan de calentar varios locales (ex: Multi Split).

b. Agua: del lado de la fuente caliente se utiliza un circuito cerrado de agua que el evaporador calienta a baja temperatura; podemos mencionar: i.

Suelo radiante: tambiÊn conocido como calefacción en el suelo, esta tecnología es de gran uso en Europa, ademås del suelo es posible de hacerlo con las paredes (pocas veces utilizadas); la temperatura que se utiliza es entre 30 y 35°C, esta tÊcnica utiliza una buena inercia tÊrmica como principio, donde como inconveniente tiene la limitación para los cambios råpidos de temperaturas (esto puede ser un inconveniente o un beneficio según el tipo de uso).

Imagen 17: ejemplo de calefacciĂłn en el suelo o suelo radiante (fuentes: http://www.travaux.com/dossier/chauffage/10351/Chauffage-au-sol-:-un-plancherchauffant-offre-un-nouveau-confort.html)

ii.

Ventilo convector: esta es una tecnologĂ­a semejante a un radiador por donde circula agua caliente que tiene como elemento adicional un ventilador.

c. Suelo: trabaja como un suelo radiante solo que el fluido refrigerante de la BC circula por el suelo haciendo el papel del condensador.

12. COP teĂłrico (COPteorico) o ideal de una Bomba de Calor: es la relaciĂłn de Tc = Temperatura fuente caliente (°C) y la To = Temperatura del evaporador fuente frĂ­a. đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153; =

đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2021;đ?&#x2018;&#x153;

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

11. Designación de una Bomba de Calor: en el mercado se encuentra con la siguiente designación W10/W45, esto quiere decir Agua / Agua, a 10°C fuente fría y 45°C fuente caliente (temperatura a la que saldar el agua).

17

Javier TRESPALACIOS

El COP puede ser dado tambiÊn por la potencia del evaporador para calentar y la potencia del compresor en KW. Es importante mencionar que la temperatura se coloca en grados kelvin T(K) = 273 + Valor en °C. Por definición el COP de una BC se es dado por la ecuación COP = Qc / Wth; en la tabla siguiente se pueden ver valores de COP Fuente fría y Caliente Aire / Agua Suelo / Agua Agua / Agua

COP 3 4 4.5

Tabla 6: algunos ejemplos de COP (fuente: Minergie 33)

La potencia calorĂ­fica de la fuente caliente34 es Qc = Qo + Wth; salen las siguientes ecuaciones: đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;? =

đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;&#x153; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2019; 1

đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D; =

đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;&#x153; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2019; 1

Imagen 18: diagrama de Mollier de un gas cualquiera [14]

33 34

Minergie: https://www.minergie.ch/fr/certifier/minergie/ Qc: donde Qo es la potencia de la fuente frĂ­a, y Wth la potencia del compresor.

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

13. InterpretaciĂłn de un diagrama de Mollier en una Bomba de Calor: en el siguiente diagrama se pueden ver los valores de entalpia para un control del COP teĂłrico.

18

Javier TRESPALACIOS

Utilizando el grafico anterior se puede calcular la cantidad de calor cedido por el condensador35 con Qc = H2 â&#x20AC;&#x201C; H4; para calcular el calor absorbido por evaporador de la fuente frĂ­a Qo = H1 â&#x20AC;&#x201C; H5; para estimar el trabajo que necesita dar el compresor Wth = H 2 â&#x20AC;&#x201C; H1.

Ya se mencionĂł el COPteorico = Tc / (Tc â&#x20AC;&#x201C; To), este valor tambiĂŠn puede ser calculado con COP = Qo/Wth, que tambiĂŠn puede ser COP = (H1 â&#x20AC;&#x201C; H5) / (H2 â&#x20AC;&#x201C; H1).

14. COPA es el coeficiente de rendimiento anual de una Bomba de Calor: se puede dar la eficiencia de la BC durante todo el aĂąo. đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ??´ =

đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;Ă­đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x17D;Ăąđ?&#x2018;&#x153; đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;Ă­đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;ĂŠđ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x17D;Ăąđ?&#x2018;&#x153;

15. InformaciĂłn tĂŠcnica de una BC: los fabricantes de BC entregan el COP en funciĂłn de la temperatura de la fuente frĂ­a; en la imagen siguiente se puede ver que si la temperatura es baja el COP baja tambiĂŠn.

Imagen 19: COP de una BC con agua glicol (fuente: http://www.ef4.be/fr/pompes-a-chaleur/techniquegeneralites/coefficient-de-performance.html)

En la gråfica anterior se puede estimar que, para una temperatura en el evaporador de 45°C, si la temperatura del agua glicol (fuente fría) en el condensador es de 10°C el COP es de 4.2.

H: es la entalpia dentro del diagrama de Mollier.

ALEZIO: http://www.enrdd.com/documents/documents/DocumentationConstructeurs/De%20Dietrich/ALEZIO%20NOTICE%20TECHNIQUE.pdf.

35 36

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

El ejemplo de la Bomba de Calor ALEZIO36 AWHP 6 MR-11, la cual tiene la posibilidad de invertir su ciclo para poder calentar o enfriar.

19

Javier TRESPALACIOS

Imagen 20: información técnica de la Bomba de Calor AWHP 6 MR-11

En la ficha técnica de la BC se observa el que es un sistema Aire / Agua; trabaja en una temperatura del aire entre -20°C y 35°C; tiene una potencia calorífica (fuente caliente) de 5.73KW, un COP (BC para calentar) de 3.93 y una potencia eléctrica en el compresor de 1.46KW; en la imagen siguiente se puede ver el comportamiento de la BC en función de la temperatura exterior.

Imagen 21: información sobre el comportamiento de la Bomba de Calor AWHP 6 MR-11 en función de la temperatura; obtenido el COP y la potencia calorífica en la fuente caliente

16. Las Bombas de Calor en Suiza: esta tecnología es cada vez más usada, principalmente para calentar:

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

a. Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta 2015, las cuales van en crecimiento:

20

Javier TRESPALACIOS

Imagen 22: Bomba de Calor instaladas en Suiza hasta el 2015 [7]

b. Los tipos de Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta 2015, en primer lugar, están las Aire / (Agua, Aire) con el 64.14% (sumando 31.47%, 13.31% y 19.36%):

Imagen 23: tipos de Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta el 2015 [7]

Tipo de BC Inversión en Euro sin TVA (Euro / m2 calentado) aire / aire Entre 50 y 90 aire / agua Entre 70 y 120 agua / agua Entre 100 y 150 agua glicol / agua Entre 100 y 160 suelo / suelo Entre 110 y 160 suelo / agua Entre 110 y 160 Tabla 7: inversión BC, en euros y sin TVA [1]

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Saber más:

17. Costos de una BC: los costos de inversión en un proyecto de BC en Bélgica en 2010 son los siguientes:

21

Javier TRESPALACIOS

18. Ejemplos de cĂĄlculos: estĂĄn los siguientes ejemplos: a. Ejemplo 1 â&#x20AC;&#x201C; BC Geotermia vertical: un terreno que genera 60W/m en profundidad; se planea utilizar una BC Agua â&#x20AC;&#x201C; Glicol / Agua que tiene una Qc (potencia tĂŠrmica) de 15KW y una Wth (Potencia de absorciĂłn en el compresor) de 3KW; estimar cuantas sondas hay que colocar: Potencia del terreno es igual a Qo = 15 â&#x20AC;&#x201C; 3 = 12KW = 12â&#x20AC;&#x2122;000W Profundidad de la sonda vertical: 12â&#x20AC;&#x2122;000W / 60W/m = 200m; esto puede ser dos sondas de 100m. b. Ejemplo 2 â&#x20AC;&#x201C; BC HidrotĂŠrmica para agua subterrĂĄnea: una reserva de agua subterrĂĄnea a Tagua = 13°C, serĂĄ utilizada como fuente frĂ­a en una BC agua/agua de 80KW de Qo y un COP de 3.5, para calentar una casa; las horas de utilizaciĂłn por aĂąo es de 2â&#x20AC;&#x2122;100h: đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;? =

đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;&#x153; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2019; 1

đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D; =

đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;&#x153; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x2C6;&#x2019; 1

Qc = (3.5/(3.5 â&#x20AC;&#x201C; 1))x80KW = 112KW y Wth = 80/(3.5 â&#x20AC;&#x201C; 1) = 32KW. EnergĂ­a elĂŠctrica anual consumida por la BC = 36KW x 2â&#x20AC;&#x2122;100h = 67â&#x20AC;&#x2122;200KWh.anual. c. Ejemplo 3 â&#x20AC;&#x201C; BC HidrotĂŠrmicas de agua subterrĂĄnea: una reserva de agua subterrĂĄnea a Tagua = 14°C, por reglamentaciĂłn el agua que se expulsa despuĂŠs de ser utilizada en el evaporador, debe tener una temperatura mĂ­nima de Texp = 10°C; el caudal de circulaciĂłn del circuito que atraviesa el evaporador es de 15l/s = 15kg/s y tiene un COP de 3.5; no se conocen las potencias; las horas de utilizaciĂłn por aĂąo es de 2â&#x20AC;&#x2122;100h:

đ?&#x2018;&#x201E; = đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2014; đ??śđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2014; đ??ˇđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;_đ?&#x2018;&#x2021; EcuaciĂłn de potencia: m = es el caudal dado en kg/s; Cp = calor especifico kJ/K.kg, para el agua el valor es 4.185; Delta_T diferencias de temperaturas en grados kelvin °K. 37

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

La potencia es dada por la siguiente ecuaciĂłn 37:

22

Javier TRESPALACIOS

Qo = 15kg/s x 4.185Kj/K.kg x (14 â&#x20AC;&#x201C; 10)K = 251.1 KW Qc = (3.5/(3.5 â&#x20AC;&#x201C; 1))x251.1KW = 351.5KW y Wth = 251.1/(3.5 â&#x20AC;&#x201C; 1) = 100KW. EnergĂ­a elĂŠctrica anual consumida por la BC = 100KW x 2â&#x20AC;&#x2122;100h = 210â&#x20AC;&#x2122;000KWh.anual. d. Ejemplo 4: en la planificaciĂłn de la instalaciĂłn de una Bombas de Calor en una casa individual, con un sistema de calefacciĂłn a baja temperatura, necesita 12KW (Qc) para calentar a 45°C la temperatura del agua del sistema (Tc). Se propone un sistema geotĂŠrmico vertical a una profundidad de 100m con 2 perforaciones y un otra BC aire. Se pregunta: 1. Estimar teĂłricamente el COP (COPgeo y COPair) de los 2 sistemas.

2. Comparar econĂłmicamente el costo anual del uso de las 2 opciones, sabiendo que el precio de la electricidad es 10, 20 y 30 cts/KWh (0.1, 0.2 y 0.3 CHF).

En la tabla siguiente estĂĄn los datos adicionales del ejemplo: Valores GeotĂŠrmica Aire Temperatura de la fuente frĂ­a (Tfuente_fria) 12°C 2°C Eficiencia de la Bomba de calor 50% 50% Hora de operaciĂłn anual (top) 4â&#x20AC;&#x2DC;800 h/yr 4â&#x20AC;&#x2DC;800 h/yr InterĂŠs financiero 6% 6% AĂąos de vida Ăştil 20yr 20yr EstimaciĂłn de la inversiĂłn 1â&#x20AC;&#x2122;000 CHF/KW 1â&#x20AC;&#x2122;600 CHF/KW Valor estimaciĂłn perforaciĂłn sonda geotĂŠrmica 80 CHF/m Tabla 8: datos del ejemplo (valores que se pueden conseguir en una ficha tĂŠcnica de una Bomba de Calor que se encuentra en el mercado)

đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153; =

273 + 45°đ??ś (273 + 45°đ??ś) â&#x2C6;&#x2019; (273 + 12°đ??ś)

đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; =

273 + 45°đ??ś (273 + 45°đ??ś) â&#x2C6;&#x2019; (273 + 2°đ??ś)

Obtenemos que el valor de COPteorico,geo = 9.6 y COPteorico,air = 7.4; estos valores los utilizamos para calcular el valor real COP de cada opciĂłn teniendo en cuenta la eficiencia de los equipos este valor lo utilizamos. đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153; = 50% â&#x2C6;&#x2014; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

Lo primero es calcular el COP teórico (COPth); la temperatura de fuente caliente es la misma para los 2 sistemas Tc = 45°C.

23

Javier TRESPALACIOS

đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; = 50% â&#x2C6;&#x2014; đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D;, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; El COP para la Bomba de Calor geotĂŠrmica es COPgeo = 4.8 y para la Bomba de Calor Aire es COPair = 3.7; ya se puede responder la primera pregunta, en la cual la eficiente de la Bomba de Calor geotĂŠrmica que la Bomba de Calor aire.

Para responder la pregunta 2 sobre la comparaciĂłn econĂłmica de las 2 opciones, se utiliza la ecuaciĂłn: đ??śâ&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ą =

đ??´đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x; + đ??śđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?, đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;

Donde Ayr es la anualidad38 del costo de la inversiĂłn y Celec,yr es el costo anual de operaciĂłn representado en el consumo elĂŠctrico que necesita una Bomba de Calor para funcionar, el Qyr es el consumo energĂŠtico anual.

Para conocer el Qyr (es igual para las 2 opciones) se utiliza el valor de la potencia multiplicada por las horas de uso: đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x; = 12đ??žđ?&#x2018;&#x160; â&#x2C6;&#x2014; 4â&#x20AC;˛800â&#x201E;&#x17D; = 57â&#x20AC;˛600đ??žđ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D; Para el Celec,yr tenemos que tener presente la energĂ­a que necesita el compresor el cual se puede obtener con el COP (geo,air); la ecuaciĂłn es la siguiente: đ??śđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?, đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) = đ??śđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) Donde el Celec es el costo de la electricidad (10, 20 y 30 cts/KWh), top es el tiempo de operaciĂłn (top) el cual es 4â&#x20AC;&#x2122;800h y Wth [KW] es la potencia del compresor; el ultimo valor se obtiene de: đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) =

đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;? đ??śđ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;(đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;)

đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D;, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153; =

12đ??žđ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D; 4.8

đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D;, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; =

12đ??žđ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;Ąâ&#x201E;&#x17D; 3.7

Los resultados son Wth,geo = 2.5KW y el Wth,air = 3.2KW; la tabla de comparaciĂłn de costos anual es la siguiente: Anualidad: son los pagos anuales, del costo de un proyecto, teniendo presente el interĂŠs anual y la duraciĂłn de vida Ăştil.

38

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

El resultado de los cĂĄlculos es el siguiente:

24

Javier TRESPALACIOS

ComparaciĂłn de los costos anuales 8 000 6 000 4 000 2 000 0

0.1 CHF/KWh

0.2 CHF/KWh

0.3 CHF/KWh

Cele,yr,geo

1 776

3 552

5 328

Cele,yr,air

2 304

4 608

6 912

Cele,yr,geo

Cele,yr,air

Tabla 9: comparaciĂłn de los costos anuales de las 2 opciones

La tabla anterior muestra que la opciĂłn de Bomba de Calor geotĂŠrmica consume menos energĂ­a y por hecho menos costos anuales.

Para el costo de la inversiĂłn de toda la instalaciĂłn se utiliza la ecuaciĂłn 39 siguiente: đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153; = đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;?, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153; + đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;, đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x; = 1â&#x20AC;˛ 000 â&#x2C6;&#x2014; 12 + 80 â&#x2C6;&#x2014; 100 â&#x2C6;&#x2014; 2 đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; = đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;?, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x; = 1â&#x20AC;˛ 600 â&#x2C6;&#x2014; 12 El costo de la instalaciĂłn con Bomba de Calor geotĂŠrmica es Cinv,geo = 28â&#x20AC;&#x2122;000 CHF (en esta instalaciĂłn se tiene presente las 2 perforaciones de 100m, la cual cuesta 80CHF/m), para la Bomba de Calor aire Cinv,air = 19â&#x20AC;&#x2122;200CHF siendo esta la mĂĄs econĂłmica.

Para calcular la anualidad que es el costo de la instalaciĂłn repartida por los 20ans de vida Ăştil para las 2 opciones, teniendo en cuenta el interĂŠs anual i = 6%. đ??´đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) = đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ł, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) â&#x2C6;&#x2014;

đ?&#x2018;&#x2013; 1 â&#x2C6;&#x2019; (1 + đ?&#x2018;&#x2013;)â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;

EcuaciĂłn: Cinv,geo = costos inversiĂłn BC GeotĂŠrmica; Cinv,Qc,geo = costos inversiĂłn segĂşn potencia condensador BC geotĂŠrmica; Cinv,geo,perf = costos inversiĂłn geotĂŠrmica perforaciĂłn; Cinv,air = costos inversiĂłn BC aire; Cinv,Qc,air = costos inversiĂłn potencia condensador BC aire.

39

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

El valor anual a pagar por 20ans para la Bomba de Calor geotĂŠrmica Ayr,geo = 2â&#x20AC;&#x2122;267 CHF, la Bomba de Calor aire Ayr,air = 1â&#x20AC;&#x2122;395 CHF siendo esta Ăşltima por la que se pagara menos por aĂąo.

25

Javier TRESPALACIOS

Para conocer el costo que tendrĂĄ cada KWh de calor utilizamos la ecuaciĂłn: đ??´đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) + đ??śđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?, đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x;

đ??śâ&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ą, (đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;. đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x;) =

Los valores teniendo presente el costo de la electricidad, el resultado es el siguiente:

ComparaciĂłn valor de cada KWh energĂ­a producido durante los 20ans 0,2000 0,1500 0,1000 0,0500 0,0000

0.1 CHF/KWh

0.2 CHF/KWh

0.3 CHF/KWh

Cheat,geo

0,0551

0,0859

0,1167

Cheat,air

0,0794

0,1194

0,1594

Cheat,geo

Cheat,air

Tabla 10: comparaciĂłn del valor de cada KWh energĂ­a de las 2 opciones

Este ejemplo concluye que la Bomba de Calor GeotĂŠrmica es mĂĄs eficiente consumiendo menos energĂ­a elĂŠctrica, pero la instalaciĂłn de Bomba de Calor aire su costo de inversiĂłn es menor.

a. InformaciĂłn de sobre las BC En Francia: http://www.geothermieperspectives.fr/ b. En Suiza: https://pacinfo.ch/ c. En EspaĂąa: http://idae.electura.es/publicacion/250/evaluaci%EF%BF%BDn_potencial_energ %EF%BF%BDa_geot%EF%BF%BDrmica d. PĂĄgina del potencial geotĂŠrmico mundial: https://irena.masdar.ac.ae/GIS/?map=1046 e. Potencial geotĂŠrmico en PerĂş: http://www.arcgis.com/home/webmap/viewer.html?webmap=541b8ea3f0bf4b 1cb482f4ae72d9548e

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO EnergĂ­a para Todos

Capitulo: Saber mĂĄs:

19. Paginas interesantes: en las pĂĄginas siguientes se puede encontrar informaciĂłn complementaria:

26

Javier TRESPALACIOS

f. La utilización de Bombas de Calor en Colombia para climatizar piscinas; en la siguiente página de Astralpool hay ayudas para hacer estimaciones: https://www.astralpool.com/configurador-de-bombas-de-calor/

Referencias bibliografías [1] Service public de Wallonie (2010). Les pompes à Chaleur. Recuperado el 20 de agosto 2014, de https://energie.wallonie.be/fr/les-pompes-a-chaleur.html?IDC=6190&IDD=26697 [2] Ooreka (2011). Le guide de la pompe à Chaleur. Recuperado el 30 de septiembre 2014, de https://pompe-a-chaleur.ooreka.fr/ebibliotheque/liste [3] Office federal de l’énergie en Suiza - OFEN (2008). Pompes à chaleur: Planification, Optimisation, Fonctionnement, Entretien. Berna – Suiza: Office fédéral de l’énergie.

[4] SuisseEnergie (s.f). Chauffer et rafraîchir grâce aux eaux usées. Recuperado el 10 de marzo 2015, http://www.fws.ch/tl_files/download_f/Brochures/OFEN%20Chauffer%20et%20refroidir%20gra% CC%82ce%20aux%20eaux%20use%CC%81es%2006%20F.pdf [5] Baumgartner, T. (1995). Pompes à chaleur : planification, construction et exploitation des installations de pompes à chaleur électriques. Berne: Office Fédéral des Questions Conjoncturelles.

[6] Huber, A., Lainsecq. & Borel. (1996). Pour le bon usage de la chaleur de l'environnement : chauffage par pompe à chaleur : guide pratique pour maîtres de l'ouvrage et architectes. Brugg Berne: Infoenergie Office fédéral des questions conjoncturelles Commandes Office central fédéral des imprimés et du matériel.

[7] SuisseEnergie (2015). Statistiques sur les pompes à chaleur. Recuperado el 17 de abril 2015, de http://www.fws.ch/tl_files/download_f/statistiques/2015/graphiques_stat_globales_2015.pdf

[9] Conseil général de la Vendée (2007). Eléments de résumé de l'Etude du potentiel vendéen et des applications possibles de la géothermie et de l'aérothermie - BE Axenergie. Recuperado el 21 de diciembre 2014, de www.vendee.fr/content/download/13387/286911/version/1/file/2007-03etude-potentiel-vendeen-geothermie-aerothermie.pdf [10] IDAE (2011). Evaluación del potencial de energía geotérmica. Recuperado el 11 de diciembre 2013, https://temariosformativosprofesionales.files.wordpress.com/2013/04/evaluacion-delpotencial-energia-geotermica.pdf

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: Referencias bibliografías

[8] LENI (2015). Heat pumps – Cogeneration : F. Maréchal. Recuperado el 1 de febrero 2015, de http://cedegesrv7.epfl.ch/20122013/pluginfile.php/549661/mod_resource/content/0/integrated_energy_systems.pdf

27

Javier TRESPALACIOS

[11] Service cantonal de l’énergie – SCANE Geneve (2011). Evaluación del potentiel geothermique du canton de Geneve - PGG. Recuperado el 1 de diciembre 2014, http://ge.ch/energie/media/energie/files/fichiers/documents/pgg_rapport_synthese_v4.pdf [12] IUFM de Toulouse Biotechnologie B (s.f). Production et utilisation du froid, cuisson des aliments, applications aux appareils domestiques et aux equipments de la restauration.

Recuperado el 13 de abril 2015, https://mafiadoc.com/queue/fichier-pdf-3-417ko_5a055f5e1723dd85574e78d6.html [13] Brühlmeier, J., Penasa, J., Egger, K., Chapallaz. & Mouchet. (1996). Récupération de chaleur dans les bâtiments d'élevage. Berne Lausanne (case postale 12, 1015: Office fédéral des questions conjoncturelles Diffusion Coordination romande du programme d'action "Construction et énergie.

[14] ADEME (2008). Pompe à Chaleur géothermique sur aquifère. Recuperado el 30 de mayo 2015, de http://www.geothermie-perspectives.fr/sites/default/files/guidepacidffev2008.pdf [15] Sciences et technologies de l'industrie et du développement durable - STI2D (s.f). Le diagramme enthalpie. Recuperado el 30 de mayo 2015, de http://lyceeledantec.fr/formation/bac-industriel-sti2d/ [16] acd2 (2011). Les Pompes à Chaleur. Recuperado el 21 de diciembre 2014, http://www.acd2.com/acd2.php?rubrique31 ***

¿Que es ETO? ETO es Energía para TOdos, es un proyecto que busca que cualquier persona sin formación técnica pueda conocer fácilmente la energía y hacer estimaciones energéticas; esto ayudara a la innovación, y a la generación de propuestas que sirvan para un desarrollo económico en una región.

40 41

Javier Trespalacios; Ingeniero Mecánico, Master en Energía Renovables; visitar https://j3palacios.wordpress.com/ ETO: Versión V01: 12.08.2015

ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx

ETO Energía para Todos

Capitulo: ¿Que es ETO?

JT@: jtrespalacios@bluewin.ch y javier.trespalacios@ecotechsy.ch Derechos reservados de Javier Trespalacios40 y Ecotechsy (http://ecotechsy.ch/) Versión41

28