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