Bomba de calor de fuente de aire - Air source heat pump
Una bomba de calor de fuente de aire (ASHP) es una bomba de calor reversible que usa el aire exterior como fuente de calor cuando está en modo de calefacción, o como disipador de calor cuando está en modo de enfriamiento usando el mismo proceso de refrigeración por compresión de vapor y el mismo intercambiador de calor externo con un ventilador como el que usan los acondicionadores de aire .
Las bombas de calor aire-aire son dispositivos más simples y proporcionan aire frío o caliente directamente a uno o dos espacios internos. Por el contrario, las bombas de calor aire-agua utilizan radiadores y / o calefacción por suelo radiante para calentar o enfriar toda una casa y, a menudo, también se utilizan para proporcionar agua caliente sanitaria. Cuando se especifica correctamente, un ASHP puede ofrecer una solución de calefacción central completa y agua caliente sanitaria hasta 80 ° C (176 ° F).
Descripción
El aire a cualquier temperatura por encima del cero absoluto contiene algo de energía. Una bomba de calor de fuente de aire transfiere parte de esta energía en forma de calor de un lugar a otro, por ejemplo, entre el exterior y el interior de un edificio. Esto puede proporcionar calefacción y agua caliente. Se puede diseñar un solo sistema para transferir calor en cualquier dirección, para calentar o enfriar el interior del edificio en invierno y verano respectivamente. Por simplicidad, la descripción a continuación se centra en el uso para calefacción interior.
La tecnología es similar a un frigorífico o congelador o una unidad de aire acondicionado: el efecto diferente se debe a la ubicación física de los diferentes componentes del sistema. Así como las tuberías en la parte posterior de un refrigerador se calientan a medida que se enfría el interior, un ASHP calienta el interior de un edificio mientras enfría el aire exterior.
Los componentes principales de una bomba de calor con fuente de aire son:
- Un serpentín intercambiador de calor exterior , que extrae el calor del aire ambiente.
- Un serpentín de intercambiador de calor interior, que transfiere el calor a conductos de aire caliente, un sistema de calefacción interior como radiadores de agua o circuitos por suelo radiante y un depósito de agua caliente sanitaria.
Las bombas de calor de fuente de aire pueden proporcionar calefacción de espacios a un costo bastante bajo. Una bomba de calor de alta eficiencia puede proporcionar hasta cuatro veces más calor que un calentador de resistencia eléctrica usando la misma cantidad de electricidad. El costo de por vida de una bomba de calor de fuente de aire se verá afectado por el precio de la electricidad en comparación con el gas (cuando esté disponible). La combustión de gas o petróleo emitirá dióxido de carbono y también dióxido de nitrógeno, que puede ser perjudicial para la salud. Una bomba de calor de fuente de aire no emite dióxido de carbono, óxido de nitrógeno ni ningún otro tipo de gas. Utiliza una pequeña cantidad de electricidad para transferir una gran cantidad de calor: la electricidad puede provenir de una fuente renovable o puede generarse a partir de centrales eléctricas que queman combustibles fósiles.
Una bomba de calor de fuente de aire doméstica "estándar" puede extraer calor útil hasta aproximadamente -15 ° C (5 ° F). A temperaturas exteriores más frías, la bomba de calor es menos eficiente; se podría apagar y calentar las instalaciones utilizando únicamente calefacción suplementaria (o calefacción de emergencia) si el sistema de calefacción suplementario es lo suficientemente grande. Hay bombas de calor especialmente diseñadas que, aunque pierden algo de rendimiento en el modo de enfriamiento, proporcionarán una extracción de calor útil para temperaturas exteriores aún más bajas.
En algunas condiciones climáticas, se formará condensación y luego se congelará en las bobinas del intercambiador de calor de la unidad exterior, reduciendo el flujo de aire a través de las bobinas. Para borrar esto, la unidad opera un ciclo de descongelamiento, cambiando al modo de enfriamiento durante unos minutos, calentando los serpentines hasta que el hielo se derrita. Las bombas de calor aire-agua utilizan el calor del agua en circulación para este propósito, lo que da como resultado una pequeña y probablemente indetectable caída de la temperatura del agua; Para los sistemas aire-aire, el calor se toma del aire del edificio o se usa un calentador eléctrico.
En climas fríos
Una bomba de calor de fuente de aire diseñada específicamente para climas muy fríos puede extraer calor útil del aire ambiente tan frío como -30 ° C (-22 ° F). Esto es posible gracias al uso de compresores de velocidad variable y los fabricantes incluyen a Mitsubishi y Fujitsu. Un modelo de Mitsubishi proporciona calor a -35 ° C, pero el coeficiente de rendimiento (COP) cae a 0,9, lo que indica que el calentamiento por resistencia sería más eficiente a esa temperatura. A −30 ° C, el COP es 1,1, según los datos del fabricante (la literatura de marketing del fabricante también afirma un COP mínimo de 1,4 y un rendimiento de −30 ° C). Aunque las bombas de calor de fuente de aire son menos eficientes que las bombas de calor de fuente terrestre bien instaladas en condiciones frías, las bombas de calor de fuente de aire tienen costos iniciales más bajos y pueden ser la opción más económica o práctica.
Un estudio de Natural Resources Canada encontró que las bombas de calor con fuente de aire para climas fríos (CC-ASHP) funcionan en los inviernos canadienses, según las pruebas realizadas en Ottawa ( Ontario ) a fines de diciembre de 2012 hasta principios de enero de 2013 utilizando un CC-ASHP con conductos. (El informe no establece explícitamente si las fuentes de calor de respaldo deben considerarse para temperaturas por debajo de -30 ° C.El mínimo histórico para Ottawa es -36 ° C.) El CC-ASHP proporcionó un ahorro de energía del 60% en comparación con el gas natural (en energía unidades). Sin embargo, al considerar la eficiencia energética en la generación de electricidad, se utilizaría más energía con el CC-ASHP, en relación con la calefacción de gas natural, en provincias o territorios ( Alberta , Nueva Escocia y los Territorios del Noroeste ) donde la generación a carbón era el método predominante. de generación eléctrica. (Los ahorros de energía en Saskatchewan fueron marginales. Otras provincias utilizan principalmente generación hidroeléctrica y / o nuclear). A pesar de los importantes ahorros de energía en relación con el gas en las provincias que no dependen principalmente del carbón, el mayor costo de la electricidad en relación con el gas natural (utilizando 2012 precios en Ottawa, Ontario) hicieron del gas natural la fuente de energía menos costosa. (El informe no calculó el costo de operación en la provincia de Quebec , que tiene tarifas eléctricas más bajas, ni mostró el impacto de las tarifas eléctricas por tiempo de uso). El estudio encontró que en Ottawa un CC-ASHP costaba un 124% más para operar que el sistema de gas natural. Sin embargo, en áreas donde el gas natural no está disponible para los propietarios, se puede lograr un ahorro del 59% en los costos de energía en relación con la calefacción con fueloil. El informe señaló que alrededor de 1 millón de residencias en Canadá (8%) todavía se calientan con fuel oil. El informe muestra un ahorro del 54% en los costos de energía de los CC-ASHP en relación con el calentamiento eléctrico por resistencia de zócalo. Sobre la base de estos ahorros, el informe mostró una recuperación de la inversión de cinco años por la conversión de la calefacción por resistencia eléctrica a gasóleo o de zócalo a CC-ASHP. (El informe no especificó si ese cálculo consideró la posible necesidad de una mejora del servicio eléctrico en el caso de la conversión de fueloil. Presumiblemente, no se necesitaría una mejora del servicio eléctrico si se cambiara del calor por resistencia eléctrica). El informe notó mayores fluctuaciones en temperatura ambiente con la bomba de calor debido a sus ciclos de desescarche.
Uso
Las bombas de calor de fuente de aire se utilizan para proporcionar calefacción y refrigeración de espacios interiores incluso en climas más fríos, y se pueden utilizar de manera eficiente para calentar agua en climas más suaves. Una de las principales ventajas de algunos ASHP es que se puede utilizar el mismo sistema para calefacción en invierno y refrigeración en verano. Aunque el costo de instalación es generalmente alto, es menor que el costo de una bomba de calor de fuente terrestre , porque una bomba de calor de fuente terrestre requiere excavación para instalar su circuito de tierra. La ventaja de una bomba de calor de fuente terrestre es que tiene acceso a la capacidad de almacenamiento térmico del suelo, lo que le permite producir más calor por menos electricidad en condiciones de frío.
Los ASHP a veces se combinan con sistemas de calefacción auxiliares o de emergencia para proporcionar calor de respaldo cuando las temperaturas exteriores son demasiado bajas para que la bomba funcione de manera eficiente o en caso de que la bomba no funcione correctamente. Dado que los ASHP tienen altos costos de capital y la eficiencia disminuye a medida que la temperatura disminuye, generalmente no es rentable dimensionar un sistema para el escenario de temperatura más fría posible, incluso si un ASHP pudiera cumplir con todos los requisitos de calor a las temperaturas más frías esperadas. Los hornos de propano , gas natural, aceite o combustible de pellets pueden proporcionar este calor adicional.
Los sistemas de respaldo totalmente eléctricos tienen un horno eléctrico o calor de resistencia eléctrica, o calor de banda, que generalmente consiste en filas de bobinas eléctricas que se calientan. Un ventilador sopla sobre las bobinas calentadas y hace circular aire caliente por toda la casa. Esto sirve como una fuente de calefacción adecuada, pero a medida que bajan las temperaturas, aumentan los costos de la electricidad. Los cortes del servicio eléctrico representan la misma amenaza que para los sistemas centrales de aire forzado y las calderas con bomba, pero las estufas de leña y los insertos de chimeneas no eléctricas pueden mitigar este riesgo. Algunos ASHP se pueden acoplar a paneles solares como fuente de energía primaria, con una red eléctrica convencional como fuente de respaldo.
Las soluciones de almacenamiento térmico que incorporan calentamiento por resistencia se pueden utilizar junto con los ASHP. El almacenamiento puede ser más rentable si se dispone de tarifas eléctricas por tiempo de uso. El calor se almacena en ladrillos cerámicos de alta densidad contenidos dentro de un recinto aislado térmicamente; Los calentadores de almacenamiento son un ejemplo. Los ASHP también pueden combinarse con calefacción solar pasiva . La masa térmica (como hormigón o rocas) calentada por calor solar pasivo puede ayudar a estabilizar la temperatura interior, absorbiendo calor durante el día y liberando calor durante la noche, cuando las temperaturas exteriores son más frías y la eficiencia de la bomba de calor es menor.
La sección exterior de algunas unidades puede "congelarse" cuando hay suficiente humedad en el aire y la temperatura exterior está entre 0 ° C y 5 ° C (32 ° F a 41 ° F). Esto restringe el flujo de aire a través del serpentín exterior. Estas unidades emplean un ciclo de descongelamiento en el que el sistema cambia temporalmente al modo de 'enfriamiento' para mover el calor de la casa al serpentín exterior para derretir el hielo. El ciclo de descongelación reduce significativamente la eficiencia de la bomba de calor, aunque los sistemas más nuevos (de demanda) son más inteligentes y necesitan descongelar menos. A medida que las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación, la tendencia al congelamiento de la sección exterior disminuye debido a la reducción de la humedad en el aire.
Es difícil adaptar los sistemas de calefacción convencionales que utilizan radiadores / paneles radiantes, calentadores de agua caliente para zócalos o incluso conductos de menor diámetro, con calor procedente de ASHP. Las temperaturas de salida más bajas de la bomba de calor significarían que los radiadores tendrían que aumentar de tamaño o se instalaría un sistema de calefacción por suelo radiante de baja temperatura en su lugar. Alternativamente, se puede instalar una bomba de calor de alta temperatura y se pueden retener los emisores de calor existentes.
Tecnología
La calefacción y el enfriamiento se logra bombeando un refrigerante a través de los serpentines interiores y exteriores de la bomba de calor. Al igual que en un refrigerador, se utilizan un compresor , un condensador , una válvula de expansión y un evaporador para cambiar los estados del refrigerante entre los estados de líquido más frío y gas más caliente .
Cuando el refrigerante líquido a baja temperatura y baja presión pasa a través de las bobinas del intercambiador de calor exterior, el calor ambiental hace que el líquido hierva (cambie a gas o vapor ): la energía térmica del aire exterior ha sido absorbida y almacenada en el refrigerante como latente calor . A continuación, el gas se comprime mediante una bomba eléctrica; la compresión aumenta la temperatura del gas.
Dentro del edificio, el gas pasa a través de una válvula de presión hacia las bobinas del intercambiador de calor. Allí, el gas refrigerante caliente se vuelve a condensar a un líquido y transfiere el calor latente almacenado al aire interior, al sistema de calentamiento de agua o al sistema de agua caliente. El aire interior o el agua de calefacción se bombea a través del intercambiador de calor mediante una bomba eléctrica o un ventilador .
El refrigerante líquido frío vuelve a entrar en las bobinas del intercambiador de calor exterior para comenzar un nuevo ciclo.
La mayoría de las bombas de calor también pueden funcionar en modo de enfriamiento en el que el refrigerante frío se mueve a través de los serpentines interiores para enfriar el aire de la habitación.
Clasificaciones de eficiencia
La eficiencia de las bombas de calor con fuente de aire se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP). Un COP de 3 significa que la bomba de calor produce 3 unidades de energía térmica por cada 1 unidad de electricidad que consume. Dentro de rangos de temperatura de −3 ° C a 10 ° C, el COP de muchas máquinas es bastante estable entre 3 y 3,5.
En un clima muy templado, el COP de una bomba de calor con fuente de aire puede ser de hasta 4. Sin embargo, en un día frío de invierno, se necesita más trabajo para mover la misma cantidad de calor al interior que en un día templado. El rendimiento de la bomba de calor está limitado por el ciclo de Carnot y se acercará a 1.0 a medida que aumente la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior, lo que para la mayoría de las bombas de calor de fuente de aire ocurre cuando las temperaturas exteriores se acercan a −18 ° C / 0 ° F. La construcción de la bomba de calor que permite el dióxido de carbono como refrigerante puede tener un COP de más de 2 incluso hasta -20 ° C, empujando la cifra de equilibrio hacia abajo a -30 ° C (-22 ° F). Una bomba de calor de fuente terrestre tiene comparativamente menos cambios en el COP a medida que cambian las temperaturas exteriores, porque el suelo del que extraen calor tiene una temperatura más constante que el aire exterior.
El diseño de una bomba de calor tiene un impacto considerable en su eficiencia. Muchas bombas de calor de fuente de aire están diseñadas principalmente como unidades de aire acondicionado , principalmente para su uso en temperaturas de verano. El diseño de una bomba de calor específicamente para el intercambio de calor puede lograr un mayor COP y un ciclo de vida más extenso. Los principales cambios están en la escala y el tipo de compresor y evaporador.
Las eficiencias de calefacción y refrigeración ajustadas estacionalmente vienen dadas por el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) y el índice de eficiencia energética estacional (SEER), respectivamente.
En las unidades cargadas con refrigerantes HFC , el COP se reduce cuando las bombas de calor se utilizan para calentar agua doméstica a más de 60 ° C o para calentar sistemas de calefacción central convencionales que utilizan radiadores para distribuir el calor (en lugar de una matriz de calefacción por suelo radiante).
Riesgos y precauciones
- Las bombas de calor de fuente de aire convencionales pierden su capacidad cuando las temperaturas externas caen por debajo de los 5 grados Celsius (aproximadamente 41 grados Fahrenheit). Los CC-ASHP (ver arriba) pueden operar eficientemente en temperaturas tan bajas como -30 ° C, aunque pueden no ser tan eficientes en enfriamiento durante la temporada de verano como las bombas de calor de fuente de aire convencionales. Si se utiliza una bomba de calor de fuente de aire convencional en climas más fríos, el sistema necesita una fuente de calor auxiliar para complementar la bomba de calor en caso de temperaturas extremadamente frías o cuando simplemente hace demasiado frío para que la bomba de calor funcione.
- Un sistema de calefacción auxiliar / calefacción de emergencia, por ejemplo, un horno tradicional, también es importante si la bomba de calor no funciona correctamente o se está reparando. En climas más fríos, las bombas de calor de sistema dividido combinadas con hornos de gas, aceite o combustible de pellets funcionarán incluso en temperaturas extremadamente frías.
Ruido
Una bomba de calor de fuente terrestre no necesita una unidad exterior con componentes mecánicos móviles: no se produce ningún ruido externo.
Una bomba de calor de fuente de aire requiere una unidad exterior que contenga componentes mecánicos móviles, incluidos ventiladores que produzcan ruido. En 2013, el Comité Europeo de Normalización (CEN) comenzó a trabajar en las normas de protección contra la contaminación acústica causada por las unidades exteriores de bomba de calor. Aunque el inicio del Plan de Negocio CEN / TC 113 decía que "los consumidores requieren cada vez más una potencia acústica baja de estas unidades, ya que los usuarios y sus vecinos ahora rechazan las instalaciones ruidosas", en enero no se habían desarrollado normas para barreras acústicas u otros medios de protección acústica. 2016.
En los Estados Unidos, el nivel de ruido nocturno permitido se definió en 1974 como "un límite de exposición promedio de 24 horas de 55 decibelios ponderados A (dBA) para proteger al público de todos los efectos adversos sobre la salud y el bienestar en áreas residenciales (US EPA 1974). Este límite es un nivel de ruido medio (LDN) de día y noche de 24 horas, con una penalización de 10 dBA aplicada a los niveles nocturnos entre las 22.00 y las 07.00 horas para tener en cuenta la interrupción del sueño y sin penalización aplicada a los niveles diurnos. La penalización de -dB (A) hace que el nivel de ruido nocturno permitido en los EE. UU. sea igual a 45 dB (A), que es más de lo aceptado en algunos países europeos pero menor que el ruido producido por algunas bombas de calor.
Otra característica de los intercambiadores de calor externos con bombas de calor de fuente de aire (ASHP) es su necesidad de detener el ventilador de vez en cuando durante un período de varios minutos para eliminar la escarcha que se acumula en la unidad exterior en el modo de calefacción. Después de eso, la bomba de calor comienza a funcionar nuevamente. Esta parte del ciclo de trabajo da como resultado dos cambios repentinos del ruido producido por el ventilador. El efecto acústico de tal interrupción en los vecinos es especialmente poderoso en entornos silenciosos donde el ruido nocturno de fondo puede ser tan bajo como 0 a 10 dBA. Esto está incluido en la legislación de Francia. Según el concepto francés de molestias por ruido, la "aparición de ruido" es la diferencia entre el ruido ambiental, incluido el ruido perturbador, y el ruido ambiental sin el ruido perturbador.
Controversia
Las unidades cargadas con refrigerantes HFC a menudo se comercializan como tecnología de bajo consumo energético o sostenible; sin embargo, si el HFC se escapa del sistema, existe la posibilidad de contribuir al calentamiento global, medido en potencial de calentamiento global (GWP) y potencial de agotamiento del ozono (ODP). ). Los mandatos gubernamentales recientes han visto la eliminación gradual del refrigerante R-22 y su reemplazo por un refrigerante R-410A más ecológico .
Impacto en las empresas eléctricas
Mientras que las bombas de calor con sistemas de respaldo que no sean el calentamiento por resistencia eléctrica a menudo son recomendadas por los servicios públicos, las bombas de calor de fuente de aire son una preocupación para los servicios públicos en invierno si se usa el calentamiento por resistencia eléctrica como fuente de calor suplementaria o de reemplazo cuando la temperatura desciende por debajo del punto. que la bomba de calor puede cumplir con todos los requisitos de calefacción de la casa. Incluso si hay un sistema de respaldo no eléctrico, el hecho de que la eficiencia de los ASHP disminuya con las temperaturas exteriores es una preocupación para las empresas de servicios eléctricos. La caída en la eficiencia significa que su carga eléctrica aumenta abruptamente a medida que bajan las temperaturas. Un estudio en el territorio canadiense de Yukon , donde los generadores diésel se utilizan para alcanzar la capacidad máxima, señaló que la adopción generalizada de bombas de calor de fuente de aire podría conducir a un mayor consumo de diésel si la mayor demanda eléctrica debido al uso de ASHP excede la capacidad hidroeléctrica disponible. A pesar de esas preocupaciones, el estudio concluyó que los ASHP son una alternativa de calefacción rentable para los residentes de Yukon. Dado que los parques eólicos se utilizan cada vez más para suministrar electricidad a la red, el aumento de la carga invernal coincide con el aumento de la generación invernal de las turbinas eólicas , y los días más tranquilos provocan una disminución de la carga de calefacción para la mayoría de las casas, incluso si la temperatura del aire es baja.
Referencias
Literatura
Verano, John A. (1976). Bombas de calor domésticas. PRISM Press. ISBN 0-904727-10-6 .