2019
INVESTIGACIÓN SOBRE EFICIENCIA
ENERGÉTICA EN SISTEMA DE
CALEFACCIÓN CON SISTEMA DE
BOMBA DE CALOR
GONZÁLEZ PORRAS, DANIEL ALFREDO
https://hdl.handle.net/11673/48674
INVESTIGACIÓN SOBRE EFICIENCIA ENERGETICA EN
SISTEMA DE CALEFACCIÓN CON SISTEMA DE BOMBA DE
CALOR
2019
Trabajo de Titulación para optar al Título de INGENIERO EJECUCIÓN MECÁNICO DE
PROCESOS Y MANTENIMIENTO
INDUSTRIAL
Alumno: Daniel Alfredo Gonzalez Porras.
DEDICATORIA
Este trabajo de titulo está dedicado a mi familia, en especial a mis padres Daniel y Romy, quienes me han sido los pilares fundamentales para seguir adelante, junto con el incondicional apoyo emocional de mis hermanos y a mis amigos que estuvieron siempre presentes para aconsejarme.
Agradecer a la universidad por brindarme todos los conocimientos y con estos lograr desarrollar todo mi potencial académico, para posteriormente salir al campo laboral preparado profesionalmente.
RESUMEN
Como civilización estamos en una posición complicada con lo que respecta al cambio climático, si no se genera una conciencia ecológica temprana podríamos estar
al borde de una desgracia medio ambiental, generando impactos catastróficos irreversibles.
Debemos tener siempre una visión ecológica, aprovechando las energías renovables como potencial fuente de sustento y a su vez tener una visión de mejora continua en los sistemas convencionales existentes. Al pensar en aprovechar mejor las
energías renovables, mejoras de eficiencia y disminución de contaminaciones. cada invención energética a alguna tecnología ya existente que de por sí ya es contaminante
podría aportar una mejora medio ambiental significativa.
En el caso de la Climatización es necesario hacer una evaluación completa para seleccionar equipos con mejores eficiencias, con refrigerantes ecológicos y con alimentación eléctrica a través de energías renovables. Se investigan un sistema de climatización reversible (frio/calor) para calefaccionar y refrigerar hogares, comercio
y piscinas tanto en invierno como en verano de forma limpia, eficiente y de contaminación mínima a través de sistemas de bomba de calor con paneles solares
fotovoltaicos de manera autónoma y semiautónoma.
ABSTRACT
As a civilization we are in a complicated position regarding climate change, if an early ecological awareness is not generated, we could be on the verge of an
environmental misfortune, generating irreversible catastrophic impacts. We must always have an ecological vision, taking advantage of renewable energies as a potential source of livelihood and in turn have a vision of continuous improvement in existing conventional systems. When thinking about making better use of
renewable energy, efficiency improvements and pollution reduction. Each energy invention to some existing technology that is already polluting could provide a
significant environmental improvement.
In the case of Air Conditioning it is necessary to make a complete evaluation to select equipment with better efficiencies, with ecological refrigerants and with power supply through renewable energies. A reversible air conditioning system (cold / heat) is
investigated to heat and cool homes, shops and swimming pools both in winter and in summer in a clean, efficient and minimal pollution way through heat pump systems with
ÍNDICE
DEDICATORIA ... 3
RESUMEN ... 4
ÍNDICE ... 5
ÍNDICE DE FIGURAS ... 9
ÍNDICE DE DIAGRAMAS ... 10
ÍNDICE DE TABLAS ... 11
SIGLAS ... 12
SIMBOLOGIA ... 13
GLOSARIO ... 14
INTRODUCCIÓN ... 16
OBJETIVO GENERAL ... 17
OBJETIVOS ESPECIFICOS ... 17
METODOLOGIA ... 17
CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN DE LA BOMBA DE CALOR Y SU TECNOLOGÍA 1.1 Función Bomba De Calor... 19
1.2 Operación Bomba De Calor. ... 21
1.3 Modelos Bomba De Calor. ... 22
1.4 Componentes Bomba De Calor. ... 23
1.4.1 Compresor. ... 23
1.4.2 Evaporador. ... 23
1.4.3 Condensador. ... 23
1.4.4 Válvula De Expansión. ... 24
1.4.4.1 Válvula De Expansión Termostática ... 25
1.4.4.2 Válvula De Expansión Electrónica ... 26
1.5 Diagramas. ... 28
1.6 Aplicaciones ... 29
1.6.1 Ventajas De Las Bombas De Calor Con Respecto A Otros Sistemas De Climatizacion ... 29
CAPÍTULO 1I: CARACTERIZACIÓN DE LA TECNOLOGIA DE PANELES SOLARES 2.1 Función Panel Solar Fotovoltaico (Psf) Y Panel Solar Termodinámico (Pst). ... 32
2.1.1 Panel Solar Termodinámico ... 32
2.1.2 Panel Solar Fotovoltaico ... 33
2.1.2.1 Energía Solar ... 33
2.1.2.2 Energía Solar En Chile ... 33
2.2 Operación ... 35
2.2.2 Operación Panel Solar Fotovoltaico... 36
2.3 Modelos ... 37
2.3.1 Modelos Paneles Solares Termodinámicos ... 37
2.3.2 Modelos Paneles Solares Fotovoltaicos ... 37
2.3.2.1 Paneles Solares Fotovoltaicos Monocristalinos ... 37
2.3.2.2 Paneles Solares Fotovoltaicos Policristalinos ... 38
2.4 Componentes ... 39
2.4.1Componentes Panel Solar Fotovoltaico Aislado. ... 39
2.5 Diagramas ... 40
2.5.1 Características Eléctricas. ... 40
2.5.2 Gráficos Y Diagramas Eléctricos. ... 41
2.6 Aplicaciones Panel Solar Fotovoltaico. ... 43
2.6.1 Utilidades Domesticas. ... 43
2.6.2 Iluminación. ... 43
2.6.3 Comunicaciones Y Electricidad Para Zonas Remotas. ... 43
2.6.4 Emergencias Y Catástrofes Eléctricas. ... 44
2.6.5 Experimentos Científicos. ... 44
2.6.6 Bombas De Agua / Bombas De Calor. ... 44
2.6.7 Baterías De Vehículos De Carga... 45
CAPÍTULO III: SELECCIÓN DE BOMBA DE CALOR SEGÚN CAPACIDADES TÉRMICAS Y ELEMENTOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 3.1 Cargas Y Capacidades Termicas ... 47
3.2 Parámetros Importantes Antes De Calcular Cargas Y Capacidades Térmicas. ... 48
3.2.1 Temperaturas Ambientes De Diseño. ... 48
3.2.2 Temperatura De Almacenamientos Y Requerimientos De Humedad. ... 49
3.2.3 Dimensiones, Aislamientos, Tipos De Construcciones Y Orientación. ... 49
3.3.4 Infiltración O Cargas Térmicas Por Cambio De Aire. ... 49
3.3 Normas Y Reglamentaciónes Residenciales En Chile. ... 49
3.4 Transferencia De Calor. ... 53
3.4.1 Propiedades Y Temperatura Del Suelo Para Bombas De Calor Geotérmicas. .... 53
3.5 Refrigerantes De Bomba De Calor ... 55
3.6 Refrigerante Ecologico Co2 Como Alternativa De Eficiencia Para Bomba De Calor Especial ... 56
3.7 Capacidades Termicas. ... 58
3.7.1 Rendimiento Y Eficiencia. ... 58
3.7.2 Clases Y Selección De Catálogo. ... 59
CAPÍTULO 1V: EVALUACIÓN TÉCNICA DE OPERACIÓN Y SUMINISTRO ENERGÉTICO EN COMPRESOR DEL SISTEMA BOMBA DE CALOR 4.1 Introducción Al Capitulo Iv ... 64
4.3 Cargas Termicas ... 66
4.4 Memoria De Calulo Cargas Termicas ... 68
4.4.1 Domicilio Normal ... 68
4.4.2 Domicilio Normal Con Segundo Piso ... 70
4.4.3 Galpón Industrial ... 71
4.5 Evaluacion Tecnica De Operación Y Suministro Energetico Para Compresor De Bomba De Calor. ... 74
4.6 Descripcion Del Funcionamiento Del Compresor ... 75
4.6.1 Compresor Inverter. ... 77
4.7 Potencias Abosrbida Del Compresor ... 79
4.8 Bombas De Calor En Picinas ... 81
4.8.1 Temperaturas De Piscinas (Estacionarias) ... 82
4.9 Software Retscreen... 85
CAPITULO V: EVALUACIÓN ECONÓMICA SOBRE LA ALIMENTACIÓN ENERGÉTICA EN BOMBAS DE CALOR A TRAVÉS DE SISTEMAS DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 5.1 Introduccion Capitulo V ... 87
5.2 Depresiacion De Los Equipos ... 87
5.2.2 Indicadores ... 90
5.3 Evaluación Financiera En Piscinas ... 91
5.4 Sistema Solar On-Grid ... 92
5.4.1 Ley De Net Billing (Ley 20571) ... 92
5.4.1.1 ¿Cuál Es El Objetivo De La Ley? ... 93
5.4.1.2 ¿Cuáles Son Los Beneficios Del Net Billing? ... 93
5.4.1.3 ¿Cuáles Son Los Sujetos De La Ley? ... 94
5.4.1.4 ¿Cómo Funciona?... 94
5.4.1.5 ¿Qué Obligación Tiene La Distribuidora? ... 95
5.4.1.6 ¿Qué Tiempo Requiere La Tramitación Del Proceso De Netbilling? ... 95
5.4.1.7 ¿En Qué Costos Se Deberá Incurrir? ... 95
5.4.1.8 ¿Cómo Es El Sistema De Pago? ... 95
5.4.1.9 ¿Cómo Es La Valorización De Los Excedentes De Energía Inyectados Al Sistema Eléctrico? ... 96
5.4.1.10 ¿Qué Se Puede Proyectar Con Este Método De Ahorro Energético? ... 96
5.4.1.11 ¿Qué Pasa Cuando Hay Un Cambio Del Equipo De Generación? ... 96
5.4.1.12 ¿Cómo Se Resuelven Los Conflictos? ... 97
5.4.2 Proceso De Conexión Ley 20.571 ... 97
5.4.3 Cotizaciones Sistema On Grid (Chile) ... 98
5.5 Sistema Solar Off-Grid ... 99
5.5.1 Cotizaciones Sistema Off-Grid (Chile) ... 100
5.7 Alcances Y Limitaciones Economicas. ... 102
5.8 Resultados Obtenidos ... 109
5.8.1 Conclusión Residencia A: ... 109
5.8.2 Conclusión Residencia B: ... 109
5.8.3 Conclusión Residencia C: ... 110
5.8.4 Conclusión Residencia D: ... 110
5.8.5 Conclusión Residencia E: ... 111
5.8.6 Conclusión Residencia F: ... 111
5.8.7 Comparativa Paramétrica Tir: ... 112
5.8.8 Comparativa Paramétrica Van: ... 113
CONCLUSIONES ... 114
BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFIA ... 117
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1. Ciclo Termodinámico De Una Bomba De Calor.
Figura 1-2: Ciclo Termodinámico simplificado De Una Bomba De Calor.
Figura 1-3: Válvula De Expansión Termostática Convencional.
Figura 1-4: Instalación Válvula De Expansión Termostática.
Figura 1-5: Válvula de expansión Electrónica.
Figura 2-1: Panel solar termodinámico.
Figura 2-2: Distribución de la radiación solar en chile.
Figura 2-3: Operación panel solar termodinámico.
Figura 2-4: Funcionamiento Célula Fotovoltaica.
Figura 2-5: Componentes Célula Fotovoltaica.
Figura 2-6: Modelo estándar panel solar termodinámico
Figura 2-7: Modelo panel solar fotovoltaico monocristalino.
Figura 2-8: Modelo panel solar fotovoltaico policristalino.
Figura 2-9: Boma de agua solar pueden ser muy rentables para las actividades agrícolas
remotas.
Figura 3-1: Carga Térmicas Equivalente de un sistema semicerrado.
Figura 3-2: Izquierda: Mapa de la zonificación climática habitacional de la
NCh1079-2008. Derecha: Mapa de zonificación térmica de la RT.
Figura 3-3: Esquema del ciclo termodinámico de una bomba de calor con colectores
geotérmicos verticales cerrados.
Figura 3-4: Interpretación de las etiquetas energéticas y sus rangos porcentuales
Figura 4-1: Plano de planta Domicilio referencial pequeño para estudio.
Figura 4-2: Plano de planta Domicilio referencial mediano para estudio.
Figura 4-3: Plano isométrico de Galpón industrial cerrado.
Figura 4-5: Plano de planta ducteria casino en campus Miraflores-universidad austral,
valdivia, chile.
Figura 4-6: Compresor Oscilante, tipo hermético.
Figura 4-7: Plano de compresor hermético, componentes principales.
Figura 4-8: variador de frecuencia/inversor para compresores Inverter.
Figura 4-9: Izquierda: componentes de compresor oscilante, Inverter.
Figura 4-10: Ciclo termodinámico de Bomba de calor de una piscina.
Figura 4-11: Instalación típica de bomba de calor en piscina
Figura 4-12: Ubicación satelital Software Retscreen.
Figura 4-13: Datos meteorológicos anuales Software Retscreen.
Figura 5-1: Componentes sistema solar fotovoltaico On-Grid.
Figura 5-2 : Componentes sistema solar fotovoltaico OFF-Grid.
Figura 5-3 : Componentes sistema solar fotovoltaico ON-OFF-Grid (hibrido).
ÍNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 1-1: Diagrama de Mollier de una bomba de calor.
Diagrama 2-1: Curva Voltaje–Intensidad de un panel solar fotovoltaico.
Diagrama 2-2: Curva voltaje-intensidad con variación de radiación
Diagrama 2-3: Curva voltaje-intensidad con variación de temperatura.
Diagrama 3-1: Esquema de la instalación Co2 y ciclo de desarrollo bomba de calor.
Diagrama 4-1: Comparación térmica de compresor Inverter y compresor convencional.
Diagrama 4-2: Rangos de temperatura para piscina exterior.
Diagrama 4-3: Rango temperaturas para piscina interior.
Diagrama 4-4: Rango Temperatura estacional dependiendo de la estación del año.
Diagrama 4-5: Temperatura del Espacio en periodo de operación.
Diagrama 4-6: Humedad en espacio en periodo de operación.
Diagrama 5-1: Comparativa Grafica TIR.
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1-1: Modelos y clasificación de las bombas de calor.
Tabla 3-1: Transmitancia térmica, conductividad y relación de distintas componentes habitacionales por zona climática habitacional.
Tabla 3-2: Plan nacional (chile) para reducción de refrigerantes dañinos para la capa de ozono.
Tabla 3-3: Comparación de refrigerante Co2 con otros refrigerantes convencionales
Tabla 3-4: Estados termodinámicos del CO2 en el ciclo óptimo.
Tabla 3-5: Interpretación de las etiquetas energéticas y sus rangos porcentuales.
Tabla 3-6: Rangos EER para bomba de calor refrigerada por aire.
Tabla 3-7 Rango EER para bomba de calor calefaccionada por aire.
Tabla 3-8: Rango EER para bomba de calor refrigerada por agua.
Tabla 3-9: Rango EER para bomba de calor calefaccionada por agua
Tabla 3-10: Tabla referente a modo refrigeración (EER) catalogo comercial.
Tabla 3-11: Tabla referente a modo calefacción (COP).
Tabla 4-1: Tabla para cálculos de cargas térmicas
Tabla 4-2: Capacidades térmicas referenciales para galpón industrial
Tabla 4-3: Capacidades térmicas de refrigeración para motores en HP.
Tabla 4-4: Tabla de tamaños-consumos térmicos de recintos y piscinas.
Tabla 4-5: Capacidades térmicas y potencia eléctrica requerida.
Tabla 5-1: Vida útil y depreciación Acelerada de los Bienes.
Tabla 5-2: Depreciación bomba de calor piscina pequeña.
Tabla 5-3: Depreciación bomba de calor piscina mediana.
Tabla 5-4: Depreciación bomba de calor piscina grande.
Tabla 5-5: consumo eléctrico piscinas.
Tabla 5-6: Gasto diario promedio piscinas.
Tabla 5-8:Cotización de sistemas solares OFF-GRID del marcado(chile), especificaciones de valores, capacidades, generación [Wh/dia] estimado.
Tabla 5-9: Flujo de caja Piscina- Pequeña con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-10: Flujo de caja Piscina- Mediana con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-11: Flujo de caja Piscina- Grande con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-12: Flujo de caja Casa de un piso con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-13: Flujo de caja Casa de dos pisos con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-14: Flujo de caja Galpón industrial con sistemas fotovoltaicos.
Tabla 5-15: Comparativa de TIR en sistema fotovoltaicos on-grid y off-grid.
Tabla 5-16: Comparativa de VAN en sistema fotovoltaicos on-grid y off-grid.
SIGLAS
ANSI: Instituto Nacional Estadounidense de Estándares.
API: American Petroleum Institute
ASA: Asociación americana de normalización.
ASTM: Asociación Americana de Ensayo de Materiales
DIN: Instituto Alemán de Normalización
ISO: Organización internacional de normalización.
NA: No aplica.
PC: Punto critico
V/V: Válvula.
HCFC: Hidro clorofluorocarburos.
MMA.GOB: Ministerio de medio ambiente
SIMBOLOGIA [m]: Metro
[cm]: Centímetro
[m2]: Metro cuadrado
[m3]: Metro cúbico
[h]: Horas
[kg]: Kilogramos
[kg/cm2]: kilogramos por centímetro cuadrado
[min1]: Revoluciones por minuto
[kW]: Kilowatt
[mm]: Milímetros
[m3/h]: Metros cúbicos por hora
[t/h]: Toneladas por hora
[Km]: Kilometro
[°C]: Grados Celsius
GLOSARIO
Bomba de calor: Sistema de Climatizacion utilizado para suministrar calor o frío
mediante válvulas que cambian la dirección de flujo de gas refrigerante.
Calor: Energía que ocasiona el movimiento de las moléculas provocando un aumento de
temperatura en una sustancia.
Calor específico: La cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de 1kg de
una sustancia 1 °C. (Joaquin Romaní, 2017)
Calor latente: Energía calórica absorbida o rechazada cuando una sustancia cambia de
estado y no se experimenta cambios de temperatura. (Joaquin Romaní, 2017)
Calor radiante: Calor que pasa a través del aire y calienta objetos sólidos que a su vez
calienta el ambiente. (Joaquin Romaní, 2017)
Calor total: Cantidad total de calor sensible o del calor latente presente en una
sustancia, con respecto a un punto de referencia.
COP: Coeficiente de operación (Vicenzo Bianco, 2017), es la razón entre el calentamiento o enfriamiento proporcionado y la electricidad consumida. Coefficient of Performance en ingles.
Entalpía: Cantidad de calor que contiene una sustancia establecida desde una base o un
punto predeterminados.
GLP: Gas licuado de petróleo, es la mezcla de gases (propano y butano) licuados presentes en el gas natural o disuelto en el petróleo.
Intercambiador de aire y calor: Dispositivo utilizado para intercambiar el calor entre
el aire y otro medio, como por ejemplo air e y aire, aire y agua o aire y refrigerante, a diferentes niveles de temperatura.
Intercambiador de calor: que transmite calor de una sustancia a otra. (Chow, 2012)
Presión: se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área.
(Cengel, 2006)
Presión para condensación: La presión que corresponde a la temperatura de
condensación en un sistema de refrigeración.
Punto de ebullición: es aquella temperatura en la cual la presión del vapor del líquido
iguala a la presión de vapor del medio que se encuentra.
Punto de fusión: es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases
sólido-líquido.
Radiación: es una onda electromagnética, que difieren sólo en la longitud de onda.
(Mark Zemansky, Richard Dittman, 1986)
Radiación térmica: es la radiación emitida por un sólido, un líquido o un gas en virtud
de su temperatura. (Mark Zemansky, Richard Dittman, 1986)
Refrigeración: es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un
cuerpo o un espacio.
Sobrepresión: Cuando la presión de descarga aumenta demasiado o la presión en el
baja presión de un sistema de compresor centrífugo. Este movimiento produce un sonido fuerte.
Temperatura ambiente: Temperatura del aire circulante 20°C.
Tubería: Tubo que tiene una pared delgada, utilizado para conducir fluidos.
Vacío: Margen de presión entre la atmósfera de la Tierra y la presión cero, por lo
general expresado en milímetros de mercurio (mm Hg) de vacío.
Válvula: Dispositivo utilizado para regular el flujo de fluido.
Vaporización: Cuando un líquido se convierte en gas o vapor.
Volumen específico: Volumen que ocupa una libra de fluido.
Hidroclorofluorocarburos. (HCFC):son compuestos formados por átomos de cloro,
INTRODUCCIÓN
Andesthermic, es una contratista familiar que se encuentra ubicada en la ciudad de los andes, dedicada a la refrigeración y climatización tanto en el ámbito comercial como industrial, teniendo en mente una proyección de crecimiento en diferentes aspectos que involucran proyectos con equipos de última tecnología con mayor eficiencia en comparación a los equipos convencionales, como también se busca climatizar nuevos ambientes y de una manera más exacta.
Desde ahí nace la necesidad de estudiar equipos nuevos en el mercado, para innovar e invertir en proyectos de calefacción con requerimientos específicos. Las bombas de calor son un sistema de calefacción eficiente, dependiendo del refrigerante esta puede ser o no ser ecológica. Algunas funcionan de manera directa y otras de manera reversible frio/calor- calor/frio, donde el único gasto es el consumo de potencia que posee el compresor, por lo que se propone estudiar y analizar la posibilidad de suministrar potencia eléctrica al equipo a través de paneles solares fotovoltaicos, para que este funcione de manera autónoma (Off Grid) o semiautónomo con conexión de la red (On Grid).
OBJETIVO GENERAL
Evaluar la factibilidad técnica-económica de suministro de energía mediante sistemas de paneles solares fotovoltaico a bomba de calor como alternativa energética
OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Caracterizar la tecnología relacionada con la bomba de calor en estudio y panel solar termodinámico y panel solar fotovoltaico.
• Realizar evaluación técnica de la operación y suministro energético para compresor de la bomba de calor.
• Evaluar económicamente sistemas de paneles solares para el compresor.
METODOLOGIA
1.1FUNCIÓN BOMBA DE CALOR.
El sistema “bomba de calor” adquiere su nombre por su semejanza a las bombas convencionales que sirven para extraer y transportar agua desde un sistema a otro. La diferencia está en que estas no transportan agua, si no que energía térmica.
Una bomba de calor es un sistema de calefacción cuyo funcionamiento se basa en la termodinámica y transferencia de calor. Consiste en transportar energía en forma de calor de un ambiente (que puede ser sol, aire, agua o suelo) a un sistema abierto o aislado de menor temperatura. Este proceso de calentamiento se genera a través de un fluido refrigerante que se encuentra circulando en un compresor. Cuando se produce la compresión el gas cambia de estado líquido a gaseoso, al producirse el cambio de estado se eleva la temperatura y atreves de un evaporador/condensador se calienta el sistema inicialmente frio.
Las energías del medio ambiente tales como el sol (termosolar), suelo (geotérmica), el aire (aerotérmica) y el agua (hidrotérmica). son colectadas, para posteriormente ser usadas en el calentamiento del fluido frigorífico que se encuentra a una temperatura ambiente.
A diferencia de una máquina frigorífica, la cual busca enfriar y mantener frío el espacio frío, la bomba busca aportar calor y mantener caliente el espacio caliente. Ambas máquinas funcionan con las mismas etapas, refrigerantes y elementos, por lo que es posible hacer una bomba de calor reversible añadiendo una válvula inversora de tres o cuatro vías y mejorando su eficiencia utilizando un compresor del tipo “invertir o digital” con el fin de variar y mantener una frecuencia de fluido constante. Con la válvula de tres o cuatro vías se puede invertir el sentido de circulación del fluido frigorífico, permitiendo entregar calor al exterior y extraer del interior. Una de las características más atractiva y ventajosas de las bombas de calor en general es que transportan más energía de la que necesitan para operar. Debido a esto, poseen un rendimiento mayor a uno, el cual es calculado en base al calentamiento o enfriamiento proporcionado, y la electricidad consumida por el equipo. A este coeficiente se le llama Coeficiente de Operatividad o Coefficient Of Performance (COP).
Donde: : Calor entregado por la bomba [W] ̇: Trabajo consumido por la bomba [W]
Ya que el traslado de energía contradice la segunda ley de la termodinámica (que establece que el calor se transfiere de forma espontánea de una fuente caliente a otra
más fría hasta que se igualen, y no al contrario), para llevarlo a cabo hace falta aportar energía, en este caso eléctrica.
Esta energía eléctrica que consume el compresor es de 2 a 5 veces más que la energía consumida en el calentamiento del fluido frigorífico.
Sin embargo, puesto que no hay que generar calor quemando combustible o a través de una resistencia, este sistema multiplica la potencia que ofrece con relación a la que consume, algo que en principio parece imposible.
Aunque la lógica establece que en la ecuación de eficiencia (1.1) que ese número será como máximo “1” kilovatio hora eléctrico será igual a 1 kilovatio hora térmico. dependiendo del modelo y las condiciones ambientales siempre que estas sean óptimas. el COP de las bombas de calor varía entre 2 y 5. Haciendo los cálculos equivalentes, el COP de una caldera de gas ronda el 0,9 y el de un radiador eléctrico, el 1.
Pero también se debe considerar que cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura exterior e interior, menor será su eficacia, reduciéndose a la mitad su eficiencia cuando fuera hay menos de 0 grados.
En lugares como los países nórdicos, donde las temperaturas invernales se encuentran habitualmente por debajo de esos niveles, es común encontrarse bombas geotérmicas. Estos sistemas extraen el calor, no del aire exterior, sino del subsuelo, donde se mantiene almacenado de forma constante durante todo el año. De esta forma, son fiables incluso cuando fuera hay varios grados bajo cero.
1.2OPERACIÓN BOMBA DE CALOR.
Así funciona una bomba de calor:
1. En el punto inicial, el fluido refrigerante que circula por el circuito cerrado y que es la base de la bomba, está en estado líquido a baja presión y a baja temperatura. Al conectar la bomba, empieza a aspirar aire del exterior. Ese aire pasa a través del evaporador rodeando el punto donde está el fluido, que absorbe el calor presente en el aire y cambia de estado, evaporándose. El aire es expulsado al exterior de nuevo, más frío que cuando fue absorbido.
2. En el segundo paso, el fluido está en estado gaseoso, pero a baja presión. En el compresor ésta sube, y con ella también la temperatura.
3. En el tercer paso, el fluido ya es vapor muy caliente. Al pasar por el condensador, cede la energía al aire que lo rodea, calentándolo para enviarlo al interior de la habitación y condensándose, volviendo así al estado líquido.
4. En el último punto, el fluido pasa por la válvula de expansión para recuperar sus características iniciales (baja temperatura y presión) y comenzar de nuevo el ciclo.
Figura 1-2: Ciclo Termodinámico simplificado de una bomba de calor Fuente: Creación propia.
1
2
3 4
Q
1.3MODELOS BOMBA DE CALOR.
Las bombas de calor poseen diversos modelos, alejándose de lo que son los modelos estándar, cada marca ofrece diferentes modelos dependiendo de las aplicaciones que se requieran. No obstante, se pueden clasificar de la siguiente manera (Tabla 1-1)
según el tipo de proceso:
Según el medio de origen y destino de la
energía Según construcción Según funcionamiento Bombas de calor cuyo compresor está impulsado mecánicamente
por un motor eléctrico de gas,
Diesel, etc.
Esta clasificación es la más utilizada. La
bomba de calor se denomina mediante
dos palabras, La primera corresponde
al medio del que se absorbe el calor (foco
frio) y la segunda al medio receptor (foco
caliente).
Compacta: Todos los elementos que constituyen la Boba de Calor
se encuentran alojados dentro
de una misma carcasa.
Reversibles: Pueden funcionar
tanto en ciclo de calefacción como
en ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del
fluido. Bombas de calor de accionamiento térmico (Bombas de calor de absorción), en las que el ciclo
se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas SPLIT o partidas: están constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se
aloja el compresor la
válvula de expansión y una
unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos la interior
del recinto. FOCO
FRIÓ CALIENTE FOCO
Aire Aire no reversible:
Únicamente funcionan en el
ciclo de calefacción
Aire Agua
Bombas de calor electrotérmicas.
Que funcionan según el efecto
peltier.
Agua Aire Multi-SPLIT:
Están constituidas por
una unidad exterior y varias
unidades interiores.
Agua Agua Termofrigrobomas:
producen simultáneamente el
frio y el calor.
Tierra Aire
Tierra Agua
1.4COMPONENTES BOMBA DE CALOR.
1.4.1
Compresor.
Es el componente más importante del Sistema de bomba de calor, Partes móviles (mantenimiento, ruido) Mayor consumo energético Costoso Recibe el freón proveniente del evaporador (vapor a baja presión y temperatura) por la tubería de aspiración. Lo comprime (elevando su presión y temperatura), expulsándolo por la tubería de descarga hacia el condensador.
La compresión requiere energía mecánica para circular el fluido, lo que quiere decir que necesita de un consumo energético eléctrico.
Son aptos para un fluido refrigerante (indicado en su placa característica) y son
1.4.2
Evaporador.
El evaporador corresponde al equipo que hace un intercambio de calor con un medio (del medio de baja temperatura), absorbiendo energía térmica del ambiente para evaporar la mezcla bifásica del refrigerante y dejarla en estado gaseoso antes de entrar al compresor. El intercambio de calor con el ambiente exterior puede ser por convección natural, por convección forzada o por radiación. La forma en que se produce el intercambio de calor depende del tipo de evaporador que se esté usando, tema que se detallará en la sección siguiente. El evaporador corresponde al PST, un evaporador que funciona bajo el principio de expansión súbita y asistencia solar, en donde la transferencia de calor ocurre por convección natural, convección forzada y radiación directa e indirecta con el medio exterior
1.4.3
Condensador.
1.4.4
Válvula de expansión.
Una válvula de expansión termostática (a menudo abreviado como VET o válvula TX en inglés es un dispositivo de expansión el cual es un componente clave en sistemas de refrigeración y aire acondicionado, que tiene la capacidad de generar la caída de presión necesaria entre el condensador y el evaporador en el sistema. Básicamente su misión, en los equipos de expansión directa(o seca), se restringe a dos funciones: la de controlar el caudal de refrigerante en estado líquido que ingresa al evaporador y la de sostener un sobrecalentamiento constante a la salida de este. Para realizar este cometido dispone de un bulbo sensor de temperatura que se encarga de cerrar o abrir la válvula para así disminuir o aumentar el ingreso de refrigerante y su consecuente evaporación dentro del evaporador, lo que implica una mayor o menor temperatura ambiente, respectivamente.
1.4.4.1 Válvula De Expansión Termostática
En la instalación de la válvula de expansión termostática, se debe tener en cuenta que siempre el bulbo posea en su interior el mismo tipo de refrigerante que está circulando por el sistema, este sirve para regular la presión y temperatura que está pasando por el consensado, evitando que el fluido refrigerante llegue en estado líquido al compresor.
Elemento Termostático con membrana
Husillo de ajuste del recalentamien
Figura 1-3: Válvula de expansión termostática convencional. Fuente: bombas de calor Gueiler.
Figura 1-4: Instalación Válvula de expansión termostática. Fuente: Bombas de calor Gueiler.
1.4.4.2 Válvula de expansión electrónica
Es recomendable usar válvulas de expansión electrónicas en ambientes hostiles, estas poseen una ventaja mayor a las válvulas de expansión termostática al poseer un sensor de temperatura y un solenoide regulador de caudal.
1.4.5 Accesorios bomba de calor
Existen otros accesorios que acompañan a la bomba de calor para que su circuito refrigerante se mantenga en un estado óptimo. Se clasifican en función de la presión de la zona donde se encuentren.
En una instalación de aire acondicionado existen dos zonas principales según el estado en el que se encuentre el refrigerante:
• Zona líquida o de alta presión. • Zona gas o de baja presión.
En la zona de alta presión de las bombas térmicas se encuentran los siguientes elementos:
• Silenciador de descarga:
• amortigua el ruido a la salida del compresor. • Amortiguador de vibraciones.
• Recipiente de líquido: acumulador del líquido de refrigeración. • Purgador: usado para expulsar el aire del circuito refrigerante.
• Filtro deshidratador: elimina la humedad del circuito de refrigeración.
En la parte de baja presión destacan:
• Filtro de aceite: filtro para limpieza del aceite que vuelve al compresor. • Separador de líquido: elimina las gotas de fluido refrigerante para que el
compresor solo entre gas.
• Acumulador de líquido: evita el golpe de ariete en el compresor.
• Resistencia eléctrica del Carter: resistencia eléctrica en el compresor para que evitar la mezcla del aceite de su Carter con líquido refrigerante, circunstancia que ocurre con temperaturas exteriores bajas.
• Separador de aceite: mantiene el nivel de aceite del compresor y que se introduzca en el compresor o evaporador.
• Economizador de calor: intercambiador de calor a la salida del evaporador y del condensador que aumenta el rendimiento de la bomba de calor. • Válvula solenoide: sirve de control de la cantidad de refrigerante que va al
evaporador mediante un control eléctrico compuesto por una bobina solenoide.
1.5DIAGRAMAS.
En el diagrama (Diagrama1-1) El ciclo comienza en (proceso 1-2) donde ocurre el trabajo de refrigeración cuando el fluido refrigerante entra en el evaporador aumentando su entalpía (el fluido refrigerante cambia su estado desde líquido a gas) luego este gas refrigerante pasa atreves del (proceso 2-3), donde es comprimido a través del compresor, como se puede observar en el grafico este gas sigue aumentando su entalpia, por lo que gana presión y temperatura obteniéndose un vapor sobrecalentado este transcurre al (proceso 3-4) donde circula atreves de un condensador (tipo de radiador) . Cuando el gas transcurre a través del condensador se produce una transferencia de calor con el medio y esta entrega calor al sistema, al ocurrir este proceso fisicoquímico el gas se va enfriando y volviendo al estado líquido. Finalmente llegando al (proceso 4-1) donde se encuentra la válvula de expansión encargada de regular cuanto fluido en estado líquido que entrara al evaporador.
Diagrama 1-1: Diagrama de Mollier de una bomba de calor.
1.6APLICACIONES
Las aplicaciones pueden ser variadas de acuerdo con la necesidad que se requiera climatizar, por lo general las bombas de calor son usadas en edificios, recintos amplios como lo es un casino. Al ser un equipo que puede mantener una temperatura constante puede ser de gran utilidad en invernaderos donde algunos vegetales deben mantener una temperatura constante, también son utilizado en equipos de mecanizado donde los materiales como el acero deben permanecer a temperatura lineal para no dilatarse o contraerse. Por lo general en el ámbito industrial son utilizadas en laboratorios de metrología, donde la temperatura estable del laboratorio es determinante al momento de obtener una medición exacta de las piezas.
1.6.1 ventajas de las bombas de calor con respecto a otros sistemas de Climatizacion
• Al ser un sistema unitario puede ser utilizado para climatizar un recinto todo el año. Por esto no es necesario tener un equipo de refrigeración como lo es un aire acondicionado y un equipo de calefacción con combustión como lo es una chimenea u estufa.
• Las mantenciones son mínimas a diferencia de otros sistemas de Climatizacion donde es necesario un mantenimiento constante durante el año, ya sea por problemas energéticos o de sus componentes.
• Por las condiciones climáticas del lugar se debería obtener, coeficientes de eficiencia energética (COP) de 4, trabajando en calefacción y de 3.5 en refrigeración.
2.1 FUNCIÓN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO (PSF) Y PANEL SOLAR TERMODINÁMICO (PST).
El principio de funcionamiento de la bomba de calor que fue explicado en el capítulo anterior (figura 1-2) podemos observar como el refrigerante pasa por el evaporador, este proceso como sabemos puede ser forzado a través de ventiladores y/o paneles termodinámicos haciendo así que el cambio de estado del fluido frigorífico se produzca más rápido.
Ya que esta investigación esta centralizada a la eficiencia energética y tratando de consumir la menor cantidad de energía eléctrica, investigaremos y analizaremos la implementación de dos tipos de paneles solares:
• Panel solar termodinámico: como opción energética al reemplazo de ventiladores.
• Panel solar fotovoltaico: como opción energética a reemplazo de alimentación eléctrica de compresor de bomba de calor.
2.1.1 Panel Solar Termodinámico
La energía solar térmica es un sistema bastante más sencillo que el termodinámico ya que simplemente aprovecha la energía del sol para calentar el agua que pasa por el interior de un panel. En el caso de la termodinámica tenemos más elementos en el sistema y por lo tanto más complicación.
Por otro lado, la energía solar termodinámica tiene la ventaja de que es capaz de extraer energía no solo del sol sino también del aire ambiente, viento o incluso del agua
de lluvia, por lo tanto, no es tan dependiente de un recurso cambiante como el sol y no tendrá tanta incidencia la orientación e inclinación del panel.
También debemos tener en cuenta que un panel termodinámico es mucho más ligero y pequeño que uno térmico, lo que nos puede dar más versatilidad a la hora de instalarlo.
2.1.2 Panel Solar Fotovoltaico
2.1.2.1 Energía solar
El Sol produce energía en forma de radiación electromagnética derivada de las reacciones de fusión que tienen lugar en su interior, por lo que el hidrógeno que contiene se transforma en helio. Es, sin duda, la fuente energética más grande con la que cuenta la Tierra y se considera inagotable. Los fenómenos producidos por el Sol dan origen a parte de los recursos en los que se basan las energías renovables. Esto se muestra en la figura El Sol es considerado una esfera de 13,9 * 105 [km] de diámetro. La superficie del Sol es aproximadamente equivalente a un cuerpo negro con una temperatura de 6000 [K] y emite 4,46 * 1023 [kW-h] de energía radiante
2.1.2.2 Energía solar en chile
2.2 OPERACIÓN
2.2.1 Operación Panel Solar Termodinámico
Las bombas de calor de gran eficiencia debido a una mayor zona de evaporación formada por una serie de paneles solares termodinámicos. Estos paneles están expuestos directamente al sol, potenciando un ciclo capaz de enfriar y calentar agua, hasta 65ºC, bajo cualquier condición climatológica, todo el año, de día y noche.
Los paneles solares termodinámicos utilizan un fluido refrigerante ecológico que circula a baja temperatura (-10ºC). A medida que el refrigerante 134-A va recorriendo los paneles, capta la radiación solar incidente en el panel, así como la energía ambiental. La diferencia de temperatura provocada por agentes externos como el sol, la lluvia o el viento garantiza que el fluido se evapore. El compresor aspira este gas caliente y lo comprime, elevando su temperatura y presión.
2.2.2 Operación Panel Solar Fotovoltaico
¿Cómo se logra la transformación de radiación solar a energía eléctrica? Esto ocurre atreves del principio fotovoltaico, La luz solar al estar compuesta por fotones poseen diferentes niveles de energía dependiendo de su longitud de onda.
Denominado panel solar o módulo fotovoltaico, su principal función es la de proporcionar energía a la instalación a partir de la irradiación solar, aprovechando el efecto fotoeléctrico. Un panel solar está formado por la interconexión de varias células solares en serie y/o paralelo, para adaptar el panel a los niveles de tensión y corriente, puesto que cada célula puede suministrar del orden de 0,5 voltios.
Para los paneles solares de uniones de silicio y con conexiones de células en serie, los valores de tensión por número de células rondan las 36 células para 12 voltios y 72 células para 24 voltios.
Figura 2-4: Funcionamiento Célula Fotovoltaica. Fuente: Tesis solar universidad de chile - Bibliografía [4].
2.3 MODELOS
2.3.1 MODELOS PANELES SOLARES TERMODINÁMICOS
Los paneles termodinámicos poseen un modelo estándar que variara en tamaño y cantidad de conductos. Estos se determinan dependiendo de la capacidad que posea la bomba de calor; el compresor y las presiones administradas. Con estas podemos seleccionar el diámetro y el largo de los conductos.
Existen tres tipos de paneles:
• Captadores solares térmicos de placa plana • Captadores solares térmicos de tubos de vacío • Captadores solares térmicos parabólicos
2.3.2 Modelos Paneles Solares Fotovoltaicos
2.3.2.1 Paneles Solares Fotovoltaicos Monocristalinos
Como su propio nombre dice, las placas solares monocristalinas están compuestas por células monocristalinas. Son ese tipo de célula que, a simple vista, podemos diferencia por su color “negro” y con las esquinas recortadas con un chaflán (resultado del corte de la célula). Son los módulos fotovoltaicos de más eficiencia que podemos encontrar, siempre superan en eficiencia y rendimiento a los policristalinos.
El modo más común de fabricación de células de silicio monocristalino (Sc-Si) consiste en partir de un lingote de un único cristal de silicio, obtenido por los métodos de Czochralski (Cz) o zona flotante (FZ), y cortarlo en obleas que constituyen el sustrato sobre el que tendrá lugar todo el proceso restante (unión “p-n”, metalización, etc.).
Entrada y salida del fluido refrigerante
2.3.2.2 Paneles solares fotovoltaicos policristalinos
Compuesto por células policristalinas, estas celdas son de color azulado y no poseen un chaflan en las esquinas como las células monocristalinas.
Las células de silicio policristalino (Mc-Si) también utilizan obleas de silicio como sustrato, pero a diferencia de las monocristalinas, estas pueden del cote de un bloque de silicio que se ha dejado solidificar lentamente en un crisol y que está formado por muchos pequeños cristales de silicio.
Este tipo de elaboración es menos costoso que el anterior, pero reduce considerablemente la eficiencia de las células.
Tanto las células mono como policristalinas descritas tienen unas características eléctricas aproximadas de 0,5 voltios en circuito abierto (Voc) y unos 3 amperios en
cortocircuito (la intensidad es directamente proporcional al área de la célula).
Figura 2-7: Modelo panel solar fotovoltaico monocristalino. Fuente: Libro Energías renovables.
2.4COMPONENTES
2.4.1Componentes Panel Solar Fotovoltaico Aislado.
Un sistema fotovoltaico aislado o autónoma se trata de un sistema auto abastecedor, ya que se aprovecha de la irradiación solar para generar energía eléctrica necesaria para el suministro de la instalación.
Estas están formadas por lo general de cuatro componentes, los cuales son:
• El generador fotovoltaico: que proporciona la corriente/tensión encargada de mantener la batería.
• La batería: esta está encargada de proporcionar energía a la instalación cuando la irradiación solar sea escasa o nula.
• El regulador: encargado de controlar el estado de la carga de la batería, adaptando los diferentes ritmos de producción y la demanda energético-consumida.
• El suministro: que hace referencia a la instalación que debe alimentar el sistema fotovoltaico.
Generador Fotovoltaico
Regulador
Controlador Suministro
2.5DIAGRAMAS
2.5.1 Características Eléctricas.
Para la realización de los cálculos se deben tener en cuenta las características eléctricas de los paneles fotovoltaicos. Es decir, que se extraen de sus hojas de características. Para ello hay que consultar la denominada curva V‐l, ya que representa la relación entre la tensión y la corriente entregada del panel a partir de unos valores de irradiación o, en su defecto, se indicarán ciertos parámetros que sirven para definirla. Los parámetros que lo definen son:
• Intensidad de cortocircuito: denominado como lsc, es la máxima intensidad que se puede obtener en un panel o módulo fotovoltaico. Se calcula midiendo la corriente entre los bornes del panel cuando se provoca un cortocircuito (tensión de salida de O voltios).
• Tensión en circuito abierto: denominado como Voc, es el valor máximo de voltaje que se mediría en un panel o módulo si no hubiese paso de corriente entre los bornes del mismo (intensidad de O amperios).
• Tensión nominal: denominado como Vn, es el valor de diseño al que trabaja el panel o módulo fotovoltaico. Por ejemplo: 12, 24 o 48 voltios.
• Potencia máxima: denominada como PM, es el valor máximo de potencia que se obtiene entre el producto de la corriente por la tensión de salida del panel o módulo fotovoltaico. Se trata del valor máximo que se puede obtener del panel o módulo fotovoltaico. También se denomina potencia de pico del panel; este último término es el más utilizado para los cálculos de una instalación conectada a la red.
• Tensión máxima: denominada como VM, se corresponde con el valor de tensión para la potencia máxima. Se trata aproximadamente del 80% de la tensión en circuito abierto. En algunos casos se indica como Vmp (de potencia máxima).
2.5.2 Gráficos Y Diagramas Eléctricos.
En el diagrama 2-1 se muestran las indicaciones de los parámetros descritos indicados sobre la curva V‐I. De igual forma, en la parte derecha se muestran los valores
de dichos parámetros. Así, cuando consultemos la documentación de un panel solar encontraremos los datos de una u otra manera o, incluso, de ambas.
Diagrama 2-1: Curva Voltaje–Intensidad de un panel solar fotovoltaico. Fuente: Libro Generación de energía fotovoltaica – Lluís Jutglar
La gráfica representada en el diagrama 2-2 está tomada para valores estándar, es decir, los valores pueden ser distintos en función de la irradiación solar, puesto que la corriente generada va directamente relacionada con la irradiación solar. Al igual sucede con las variaciones de temperatura, pero estas influyen sobre el punto de potencia máxima (PM), la tensión máxima (VM) y la tensión en circuito abierto (Voc). Dichos valores disminuyen ante el aumento de temperatura (ver diagrama 2-3).
Los valores que se indican en la curva V‐I se obtienen sometiendo el panel a unas
condiciones específicas, denominadas condiciones estándar de medida (CEM). Las CEM, quedan definidas por los siguientes valores:
• Irradiación: 1000 W/m2. • Temperatura: 25 °C. • Incidencia normal.
• Espectro radiante o masa de aire: AM 1,5.
2.6APLICACIONES PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO.
El tamaño de los paneles fotovoltaicos está directamente relacionado con la aplicación que se le quiera dar, que van desde cargadores portátiles en el dispositivo a instalaciones de producción de electricidad a gran escala.
2.6.1 Utilidades Domesticas.
la función de este panel es suministrar energía eléctrica, pero no independientemente. Esta dependerá de una red eléctrica independiente en caso de que existan bajas tensiones a diferencia de un sistema independiente que utilizara una batería para sustentar cargas en caso de un déficit eléctrico del panel.
2.6.2 Iluminación.
Con la invención de la tecnología LED (diodo de emisión de luz) como fuentes de iluminación de bajo consumo, sistemas fotovoltaicos encuentran una aplicación ideal en sistemas de iluminación remoto o móvil.
La energía eléctrica fotovoltaica combinada con instalaciones de almacenamiento de la batería se utiliza sobre todo para proporcionar iluminación de vallas publicitarias, carretera en signos de formación, instalaciones de uso público, estacionamientos, cabañas de vacaciones, iluminación para los trenes, etc.
2.6.3 Comunicaciones Y Electricidad Para Zonas Remotas.
Las señales requeridas por los sistemas de comunicación necesitan amplificación después de intervalos de distancia particular. Varias torres de transmisión se colocan para aumentar señales de teléfono, televisión y radio. Motivos de alta son favorecidos sobre todo como los sitios para las estaciones de repetidor. Estos sitios están generalmente lejos de líneas eléctricas. Para reducir la dificultad y costo asociados con los generadores, se están instalando sistemas fotovoltaicos como una alternativa viable.
2.6.4 Emergencias Y Catástrofes Eléctricas.
Desastres naturales a menudo provocan una crisis de electricidad. Como los desastres tales como huracanes, inundaciones, tornados y terremotos destruyen sistemas de generación y distribución de electricidad. En situaciones como estas, donde el poder estará fuera durante un largo período, sistemas portátiles de PV pueden proporcionar soluciones temporales de luz, comunicación, alimentación y sistemas de agua. Clínicas de salud emergencia optan por electricidad PV basado sobre los sistemas convencionales en sustitución a los problemas de transporte de combustible y la contaminación.
2.6.5 Experimentos Científicos.
En varios casos, experimentos científicos se instalan en zonas alejadas de la fuente de alimentación. Los sistemas fotovoltaicos pueden utilizarse eficazmente para llevar a cabo actividades científicas en áreas remotas. Sistemas de monitoreo de las actividades sísmicas, las condiciones de la carretera, información meteorológica y otras actividades de investigación pueden ser alimentados por sistemas fotovoltaicos.
2.6.6 Bombas De Agua / Bombas De Calor.
PV es un candidato perfecto para agricultura y ganadería debido a la necesidad de agua durante los períodos con sol brillante. Estos sistemas de bombeo pueden suministrar agua directamente a los campos, o pueden almacenar agua durante el tiempo de necesidad. Estos sistemas pueden utilizarse incluso para abastecer de agua a zonas remotas y de pueblos.
2.6.7 Baterías De Vehículos De Carga.
3.1 CARGAS Y CAPACIDADES TERMICAS
Antes de continuar con esta investigación, debemos responder las siguientes preguntas: ¿Qué es una carga y capacidad térmica?, ¿Para qué nos sirve? ¿Como se calculan las cargas y capacidades térmicas? Respondiendo estas interrogantes aprenderemos la importancia que pueden tener para obtener para ayudarnos a obtener resultados más certeros al momento de selección una bomba de calor.
La carga térmica se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del sistema por refrigerar para reducir la temperatura deseada. Pero en este caso como trataremos un sistema de climatización también se analizará como carga térmica el aporte de energía y temperatura al sistema.
ℎ= ℎ + ℎ + ℎ + ℎ [ ]
El subíndice ‘h’ responde a que es un cálculo horario. Es importante mencionar que si ℎ 0 corresponde a carga de calefacción, es decir, la vivienda está perdiendo calor; ℎ ! 0 corresponde a carga de refrigeración, es decir, la vivienda está ganando calor. Las cargas térmicas en este estudio se calculan por bloque horario para el periodo de un año y se considera que ocurren de manera instantánea, dejando fuera de evaluación la inercia térmica de la vivienda. Lo anterior tiende, de forma leve, a sobredimensionar el cálculo. Sin embargo, se emplean estrategias para que lo anterior no ocurra, como se ve en la sección 0, donde la carga térmica de la vivienda y su demanda energética se utilizan para dimensionar de buena manera el sistema de climatización, particularmente para la
Temperatura caliente Retirada del sistema y suministrando aire frio Atravez de BDC
Ganancia de calor por Convección y Radiación
desde el sol
∑Energia interna de elementos y peronas [Kj/s ; Kw : btu]
∑Perdidas de temperatura fria por aberturas (Ventanas; puertas; etc)
Figura 3-1: Carga Térmicas Equivalente de un sistema semicerrado
(3.1)
Qc
Qv Qs
BCG. Cada una de las componentes de carga y ganancia térmica tiene distintos factores asociados en su cálculo, donde un factor común que repite dentro de las cargas por transmisión y por ventilación e infiltración, corresponde a la diferencia de temperatura (∆ ) entre la temperatura ambiente exterior ( ') y la temperatura de comodidad de la
vivienda ( 0). La temperatura de confort es variable dependiendo si se necesita calefaccionar o refrigerar la vivienda (o visto de otro modo depende de la temperatura ambiental exterior). Figura 3-1 Diagrama de las distintas componentes de la carga térmica para el balance energético.
La diferencia de temperatura se calcula según la siguiente ecuación: ∆ ' − 0 [º ] , -. 0 20° ' 20° 0 24° ' ! 24° 0 ' 20° ' 24°
La temperatura de comodidad térmica de la vivienda ( 0) corresponde a la temperatura a la que se debe elevar en caso de calefacción, que corresponde a 20°C y en caso de refrigerar la vivienda corresponde disminuir la temperatura de esta a 24°C. En el caso en que la temperatura exterior ( 0) corresponda a un valor entre 20°C y 24°C, las cargas térmicas por transmisión, ventilación e infiltración serán nulas. Información extraída desde [5] Bibliografía.
3.2 PARÁMETROS IMPORTANTES ANTES DE CALCULAR CARGAS Y CAPACIDADES TÉRMICAS.
Los cálculos de transferencia de calor requieren información con el propósito de pronosticar con exactitud la carga térmica de una necesidad de refrigeración especifica. Mientras mayor es la información, más completos serán los resultados calculados. Un cálculo referencial con mayor exactitud es el primer paso para seleccionar un buen equipo de refrigeración en algún proyecto.
Antes de calcular cargas térmicas se deben considerar los siguientes aspectos, según la American society of Heating, refrigeración and Air conditioning Engineers (ASHRAE). La siguiente información es extraída desde [5] Bibliografía.
3.2.1 Temperaturas Ambientes De Diseño.
3.2.2 Temperatura De Almacenamientos Y Requerimientos De Humedad.
Por su naturaleza el equipo de refrigeración es un proceso de des humificación. Nosotros tratamos de minimizar el efecto desea debido al equipo. Mediante la selección adecuada del diferencial de temperatura (DT) entre las temperaturas de saturación de succión del evaporador y la temperatura del aire en el sistema. Para seleccionar el diferencial de temperatura aproximado para la humedad relativa deseada.
3.2.3 Dimensiones, Aislamientos, Tipos De Construcciones Y Orientación.
Este criterio se presta por si solo para ser bien establecido, obtener cálculos confiables, sino se omite frecuentemente la información elemental desde el trabajo de reconocimiento inicial. La carga por transmisión para 4” de poliestireno es el doble de la carga termina por transmisión de 4” de poliuretano.
3.3.4 Infiltración O Cargas Térmicas Por Cambio De Aire.
El calor sensible y el calor latente entran a un sistema a través de las aperturas de entradas, como lo podría ser una puerta o una ventana. cada vez que el aire en los alrededores del sistema esté más caliente que la temperatura del sistema.
Conociendo la localización, tamaño y número de aperturas de puertas, ventanas o aberturas para distintas aplicaciones que se encuentren cerradas. Sabiendo las temperaturas a la cual están expuestas será la forma más favorable para determinar
las cargas térmicas por infiltración de aire.
3.3 NORMAS Y REGLAMENTACIÓNES RESIDENCIALES EN CHILE.
Es de suma importancia atenerse a las normas aplicables, para dar la mayor representatividad posible al estudio, utilizando específicamente normas sobre reglamentación térmica y eficiencia energética.
media del día y la temperatura base (cercana a la temperatura de comodidad térmica) y se clasifican por intervalos.
Por otro lado, se tiene la Norma Chilena 1079 del año 2008 (NCh1079-2008), la cual se crea por no existir Norma Internacional sobre eficiencia energética y zonificación climática habitacional que aplique al país. Además, se tiene la Guía de diseño para la eficiencia energética en la vivienda social del Ministerio de Vivienda y Urbanismo (MINVU) (2009) , el cual trata sobre la aplicación de la NCh1079-2008, respecto a las mejoras de eficiencia y comodidad térmica aplicado al diseño arquitectónico y constructivo de viviendas sociales.
Complementando lo anterior, Chile posee distintos climas en su larga y angosta tierra, por lo que las variables meteorológicas se definen más allá de los grados-día que supone la Reglamentación Térmica. La NCh1079-2008 tiene en cuenta lo anterior, zonificando en 9 zonas climáticas habitacionales basándose, además de los grados-día, en la nubosidad, radiación solar, horas de sol diarias, intensidad y dirección del viento, precipitaciones, vegetación y humedad. Esta norma cumple y es más rigurosa que la Reglamentación Térmica de la OGUC. Se recomienda utilizarla debido que la RT está en constantes actualizaciones para su mejora, donde la NCh1079- 2008 presenta buenos antecedentes a seguir.
Las 9 zonas climáticas habitacionales de la NCh1079-2008 se pueden apreciar, junto a las zonas térmicas de la Reglamentación térmica de la OGUC en la Figura 3-1, corresponden a:
• Zona Norte Litoral (NL) • Zona Norte Desértica (ND)
• Zona Norte Valles Transversales (NVT) • Zona Central Litoral (CL)
Figura 3-2: Izquierda: Mapa de la zonificación climática habitacional de la NCh1079-2008. Derecha: Mapa de zonificación térmica de la RT.
En la Tabla [Tabla 3-2] se presentan los valores de transmitancia térmica que estipula la norma NCh1079-2008 para techumbre, muros y ventanas, y la conductividad de la aislación perimetral del piso con el exterior. El porcentaje máximo de relación ventana-muro se obtiene de la RT, debido que la NCh1079-2008 no hace referencia a este ítem. El porcentaje por aplicar de la relación ventana muro se obtiene de la ponderación entre el porcentaje máximo y lo recomendado para obtener confort lumínico según la Guía de diseño del MINVU.
Zona Climática NL ND NVT CL CI SL SI SE AN U Techumbre (Ut) [W/m2*K] 0,80 0.40 0.60 0.60 0.50 0.40 0.30 0.25 0.25 U Muro (Um) [W/m2*K] 2.00 0.50 0.80 0.80 0.60 0.60 0.50 0.40 0.30 U Ventana (Uv) [W/m2*K] 5.80 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 2.4 0.40 K Cerramiento Piso (kp) [W/m*K] 0.04 004 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 Máximo porcentaje relación Ventana/Lado 50% 60% 60% 60% 60% 40% 40% 37% 37% Porcentaje aplicar relación Ventana/Lado
(Pvm) 40% 40% 40% 40% 40% 30% 30% 30% 30%
Tabla 3-1: Transmitancia térmica, conductividad y relación de distintas componentes habitacionales por zona climática habitacional.
3.4 TRANSFERENCIA DE CALOR.
Para poder comprender completamente el fenómeno termodinámico que le ocurre a un sistema atreves de las diferentes variables térmicas, debemos analizar los materiales y los sistemas atreves de la rama termodinámica de transferencia de calor.
3.4.1 Propiedades Y Temperatura Del Suelo Para Bombas De Calor Geotérmicas.
Las propiedades térmicas del suelo juegan un rol fundamental para el dimensionamiento del sistema de la BCG, específicamente para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor geotérmicos (ICG). También, estas propiedades térmicas, en conjunto con la temperatura media diaria y profundidad de instalación de los ICG horizontales, inciden en la estimación de la temperatura del suelo, el que a su vez, afecta al coeficiente de operatividad (COP) del sistema, como se ve en la sección 3.4.1.
Las propiedades térmicas mencionadas son tres:
• -.23 4 2'2 4é67 ' (89) [;∗=: ]: se define como una propiedad
característica de un material e indica la capacidad de conducir el calor a través de este.
• '>' 2'2 4é67 ' - '?ó6 ' ( 9) [;B∗=A ]: corresponde al cociente
entre el calor que se suministra a un sistema y la variación de temperatura provocada en un volumen definido, propio de cada material. En el suelo se expresa en el calor que es capaz de almacenar un volumen de terreno al incrementar su temperatura.
• C D3 2'2 4é67 ' (E9) [;GF]: es un índice que expresa velocidad de
cambio de temperatura hasta alcanzar equilibrio térmico. Una difusividad térmica mayor indica que alcanza el equilibrio térmico más rápido que un material con difusividad térmica menor. La difusividad térmica corresponde a la relación entre la conductividad térmica y la capacidad calórica del material. Se calcula de la siguiente manera:
La temperatura de la tierra, a profundidades menores a los 10 [m], está gobernada por factores climáticos y meteorológicos. Para profundidades menores a 1 [m] existen fluctuaciones diarias y para profundidades mayores a 1 [m] gobiernan fluctuaciones estacionales (ver Figura 1-3 para ver efectos de la profundidad), con cierto desfase (típicamente ~35 [días]). La variación anual de temperaturas promedio diarias del suelo, pueden estimarse usando la siguiente función:
9(J, 4) 7 − K ∗ L^(−J ∗ √BPQ∗RSO ) ∗ - [2T
365(4 − 40 − J 2∗ (√
365
T ∗ ')] [º ]
Donde,
• J [7] es la profundidad de evaluación.
• 4 [2í'] es el tiempo de evaluación.
• 7 [º ] corresponde a la temperatura media anual del aire.
• 40 [2í'] corresponde a un desfase por la inercia térmica del suelo.
• K [º ] corresponde a la diferencia media entre la máxima temperatura
promedio diaria máxima y mínima.
• E [722í'] corresponde a la difusividad térmica del suelo.
Figura 3-3: Esquema del ciclo termodinamiro de una bomba de calor con colectores geotermicos verticales cerrados
3.5 REFRIGERANTES DE BOMBA DE CALOR
El refrigerante actualmente utilizado por las bombas de calor es el refrigerante
R410a que es utilizado a partir del año 2014 chile como el reemplazo del R22 por ser más
ecológico para el medio ambiente, también es más utilizado por su Ciclo real de una bomba de calor y diagrama p-h. Gráfico del ciclo ideal de una bomba de calor en un además de tener una versatilidad para usarse en sistemas de tipo invertir. El R410a solo contiene flúor, no contribuye a la reducción de la capa de ozono y por ello se utiliza ampliamente. Un estudio realizado sobre el rendimiento y las características del R22 en Aire Acondicionado AC residenciales, “entre las 11 alternativas, cuatro eran: R410a, R407a, R134a y R600. Se encontró que la relación de presión para todos los refrigerantes en diferentes temperaturas de condensación fueron mayores que las de R22 siendo el R410a el más alto al 40% y R407a al 18%” (Bantan Mafor Glrory) Es un refrigerante de alta seguridad al no ser toxico ni inflamable, lo cual es una ventaja muy alta en caso de fugas. Este refrigerante puede trabajar a presiones más altas que el R22 dando versatilidad en los diseños y mayor amplitud en eficiencia, también tiene una función termodinámica atractiva y pose una elevada capacidad de enfriamiento volumétrico,
en comparación con el R22, y tiene mejores propiedades de intercambio térmico. El uso
de refrigerantes en base de aceites genera algunas dificultades, “uno de los problemas más graves de la baja temperatura de refrigeración, en los que podría incluirse es la dificultad para devolver el evaporador al compresor. Dado que los compresores bombean un poco de aceite al sistema, lo proporcionado para devolverlo del evaporador continuamente, este problema se agrava con la baja temperatura porque el aceite se vuelve más viscoso.” (Harnish, 2016)
3.6 REFRIGERANTE ECOLOGICO CO2 COMO ALTERNATIVA DE EFICIENCIA PARA BOMBA DE CALOR ESPECIAL
Dentro del grupo de los refrigerantes naturales el dióxido de carbono se convierte en una apuesta firme debido a su bajo precio, a que no es ni inflamable ni tóxico, es compatible con los materiales comunes utilizados con otros refrigerantes, su pérdida produce un bajo impacto ambiental, y posee excelentes propiedades termodinámicas y de transporte.
La anterior tabla [Tabla 3-3] compara al CO2 con otros refrigerantes que han sido o son ampliamente utilizados en bombas de calor a temperaturas moderadas. Puede apreciarse su baja temperatura crítica y alta presión crítica. Esto conduce a ciclos transcríticos en sus aplicaciones en refrigeración y bomba de calor. Obsérvese también la elevada capacidad volumétrica del CO2. Esta se define, a una temperatura determinada, como el producto de la densidad del vapor saturado y la entalpía de vaporización a dicha temperatura. Cuanto mayor es su valor más cantidad de frío se obtendrá con un compresor de la misma cilindrada. Tanto los elevados niveles de presión con que trabaja el ciclo de CO2 como su capacidad volumétrica contribuyen a que las bombas de calor de CO2 sean extremadamente compactas. Para una bomba de calor de CO2 y otra con refrigerante convencional, Kim et al. estimaron una reducción del 60-70% en el diámetro interior de las tuberías y del 80-85% en la cilindrada del compresor. Las bombas de calor de CO2 transcríticas ofrecen amplias posibilidades en aplicaciones de producción de agua caliente sanitaria, debido a la gran variación de temperatura que se puede lograr en el enfriador de
gas, por lo que se amplía el rango de temperaturas a las que se puede calentar el agua en comparación con las bombas de calor por compresión mecánica (véase la Fig. 1). Dada la naturaleza transcrita del ciclo, el coeficiente de operación (COP) difiere en su comportamiento con respecto al de las bombas de calor convencionales. Por lo tanto, resulta imprescindible desarrollar modelos específicos de simulación que sirvan de ayuda para el diseño y operación óptimos.
De acuerdo con el esquema presentado anteriormente [Diagrama 3-1] se puede determinar las máximas y mínimas temperaturas y presiones del refrigerante. Además, podemos conocer su comportamiento de entalpia “h” (cantidad de energía absorbida y cedida) y también la entropía “s” (relacionada a variante de temperatura de la entalpia).
Tabla 3-4: Estados termodinámicos del CO2 en el ciclo óptimo. Fuente: Libro 10Cnit.
