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