Bombas de calor y acumuladores sostenibles para una calefacción y refrigeración eficaces

El uso de la energía del sol para satisfacer una gran parte de las demandas de calefacción en aplicaciones residenciales es una opción significativa para muchos climas, pero no es fácil de lograr siendo competitivo en costos. El proyecto TRI-HP muestra cómo las demandas de calefacción de los edificios pueden satisfacerse de forma eficiente con energía solar, utilizando lo que se conoce como hielo solar, de forma rentable. Este concepto de sistema combina colectores solares térmicos, bombas de calor y almacenamiento de hielo para satisfacer las necesidades energéticas en regiones dominadas por la calefacción con suficiente radiación solar, por ejemplo, Europa Central. La suspensión de hielo producida en las temporadas de invierno y primavera se puede utilizar para enfriamiento gratuito como una característica adicional en climas con baja demanda de enfriamiento.

Los sistemas de hielo solar utilizan colectores solares térmicos como única fuente de calor para la bomba de calor, que además puede funcionar con energía fotovoltaica (PV). Los colectores solares térmicos también se utilizan para abastecer directamente las demandas de calefacción y agua caliente sanitaria. Siempre que el sol brille o la temperatura ambiente no sea demasiado baja, los colectores solares actúan como una fuente de calor directa para la bomba de calor. Durante las noches frías o los días con poca radiación solar, el almacenamiento de hielo se utiliza como fuente de calor. El almacenamiento de hielo actúa como un almacenamiento estacional solar de baja temperatura (se carga en verano y se descarga en invierno) con un almacenamiento de densidad de energía muy grande en el rango de 80 kWh/m3. Un esquema conceptual del sistema de hielo solar se puede ver en la Fig. 1.

El sistema de lodos de hielo solar se puede comparar con las bombas de calor de fuente terrestre (GSHP) con los beneficios de no tener que perforar pozos y, por lo tanto, no estar restringido por las leyes de protección del agua. Además, no hay necesidad de regenerar el suelo como en el caso de los pozos, incluso si el almacenamiento está enterrado en el suelo, ya que se regenera anualmente con energía solar.

La principal innovación propuesta por TRI-HP es el desarrollo del concepto de hielo en suspensión con el método de superenfriamiento, que elimina los intercambiadores de calor dentro del almacenamiento de hielo, reduciendo el costo de instalación del sistema en un 10%. Además, la superficie de transferencia de calor (superenfriador) siempre está libre de hielo y tiene una mayor eficiencia en comparación con los sistemas convencionales de hielo en serpentín. Con esta innovación, se espera que los sistemas de suspensión de hielo solar tengan un costo similar al GSHP por la misma eficiencia del sistema sin necesidad de perforar pozos o regenerarse en escenarios futuros.

Una de las principales barreras tecnológicas para los sistemas de hielo en suspensión que utilizan el método de superenfriamiento es el desarrollo de intercambiadores de calor que permitan operar con temperaturas del agua por debajo de 0 °C sin congelarse. Dentro del proyecto TRI-HP, hemos desarrollado recubrimientos resistentes al hielo que funcionan en flujos de agua turbulentos, lo que les permite suprimir la formación de hielo para las condiciones de trabajo necesarias. Una vez que el agua se sobreenfría en una forma estable, se bombea a un cristalizador de hielo, donde se forma la suspensión de hielo para luego almacenarla en el recipiente de suspensión de hielo. El grado de sobreenfriamiento se define como la diferencia entre la temperatura de congelación real y la temperatura de fusión, que es de 0°C en el caso del agua.

Los superenfriadores TRI-HP probados basados ​​en intercambiadores de calor soldados son extremadamente compactos y alcanzan grados de superenfriamiento de hasta 4 °C, mucho más que los 2 °C alcanzados por las tecnologías japonesas de última generación que utilizan intercambiadores de calor menos compactos. La temperatura promedio de superenfriamiento se evaluó durante siete ciclos de congelación para diferentes recubrimientos con fobia al hielo, que están marcados como puntos en la Fig. 2.

El uso de refrigerantes sintéticos comenzó alrededor de 1930. Desde entonces, han sido regulados debido a la destrucción de la capa protectora de ozono de la Tierra, el alto potencial de calentamiento global (GWP) y el impacto en la salud humana. Esto ha llevado al desarrollo de tres generaciones de refrigerantes sintéticos. La última generación, a base de HFO, se descompone en la atmósfera generando ácido trifluoroacético y formando trifluoroacetato, que puede contaminar el agua potable. Por lo tanto, la única solución sostenible y duradera para las bombas de calor es el uso de refrigerantes naturales y ecológicos con bajo GWP, como hidrocarburos, agua, amoníaco y dióxido de carbono (CO2). En este contexto, se desarrollaron y probaron nuevas bombas de calor con refrigerantes naturales (propano y CO2) en el contexto del proyecto TRI-HP.

Dentro del proyecto TRI-HP, se ha implementado con éxito la integración de superenfriadores en bombas de calor residenciales para aplicaciones de calefacción. Hemos diseñado y fabricado dos prototipos con capacidades en torno a los 10 kW de potencia térmica, uno con propano y otro con ciclo de CO2 transcrítico.

Los resultados del coeficiente de rendimiento (COP) de las dos bombas de calor se muestran en la Fig. 3. Los puntos de datos a una temperatura de entrada de agua de 0 °C en el evaporador muestran situaciones en las que el agua se superenfrió sin congelarse, gracias a los revestimientos antihielo.

Además de los superenfriadores, la bomba de calor de CO2 tenía una innovación adicional. La bomba de calor tiene un enfriador de gas tripartito que utiliza tres intercambiadores de calor para el suministro eficiente, simultáneamente o no, de las demandas de calefacción de espacios (SH) y agua caliente sanitaria (ACS). En la Fig. 3 (izquierda, arriba) se muestra el Coeficiente de Rendimiento (COP) de la bomba de calor de CO2 para la producción simultánea de SH y ACS en función de varias temperaturas de DWH. Para estos resultados se proporcionan las demandas de SH a 30/35°C para condiciones de retorno/flujo desde/hacia el suelo radiante. Los COP oscilan entre 4 y 4,5 en la mayoría de los casos proporcionando altas temperaturas para demandas de ACS. La bomba de calor es incluso capaz de suministrar temperaturas de ACS de hasta 70 °C con un COP superior a 4.

La bomba de calor de propano puede funcionar para satisfacer las demandas de SH o ACS por separado. El COP para la provisión de demandas de SH presentado en la Fig. 3 (izquierda, abajo) está en el rango de 4.5 a 6 para edificios nuevos (suministro a 35°C) y entre 3.5 a 5.5 para los renovados (suministro a 45°C). y 40°C). El COP se reduce a alrededor de 2,8 a 3,7 para abastecer las demandas de ACS a 55°C y 60°C.

Con estos resultados, se puede concluir que la bomba de calor de CO2 es una opción mucho mejor para edificios nuevos con una gran demanda de ACS. Por otro lado, el propano es un mejor candidato para satisfacer una gran parte de las demandas de SH.

La validación de los sistemas de suspensión de hielo solar se llevó a cabo utilizando la prueba de ciclo conciso acelerado (CCT), donde el año completo está representado por siete días, cada uno de los cuales representa un período específico del año. El CCT se basa en un enfoque de hardware en el circuito en el que los sistemas funcionan de forma autónoma en un entorno de laboratorio relevante como si estuvieran instalados en un edificio real. En el laboratorio se instalaron físicamente los componentes desarrollados en el proyecto, así como los necesarios para crear unas condiciones de contorno realistas, como las bombas de calor de los refrigerantes naturales explicadas anteriormente, los acumuladores de ACS y SH, todos los elementos hidráulicos y las conexiones entre estos. elementos así como el control general del sistema que permite operar el sistema de forma autónoma durante varios días seguidos. La batería eléctrica y el inversor también fueron instalados físicamente. Se simuló y emuló el resto del sistema, incluida la respuesta de los colectores solares térmicos, la fotovoltaica, el cristalizador de hielo y el almacenamiento de lodos de hielo. Las demandas del edificio, incluida la respuesta del sistema de distribución de calefacción (suelo radiante), los perfiles de toma de ACS y los perfiles de electricidad doméstica, también se simularon/emularon para crear condiciones límite realistas para la operación del sistema. Los componentes instalados y probados en el laboratorio se dimensionaron en relación con la potencia de calefacción de 10 kW de la bomba de calor, y se usaron simulaciones para escalar el sistema a demandas más altas de edificios multifamiliares.

El sistema de propano en suspensión de hielo se dirige a un edificio multifamiliar renovado con una demanda específica de SH de 105 kWh por superficie calentada y año en la ciudad de Zúrich. El sistema probado experimentalmente logró un factor de rendimiento del sistema anual (SPF), incluido el consumo de electricidad del compresor de la bomba de calor y todas las bombas de circulación, de hasta 4.8, que es significativamente más alto que el SPF típico logrado por las bombas de calor geotérmicas en este clima, que los valores típicos son del orden de 4.

El sistema de hielo en suspensión de CO2 se dirige a un nuevo edificio multifamiliar con demandas específicas de SH de 30 kWh por superficie calentada y año en la ciudad de Zúrich. Este sistema fue probado durante 14 días consecutivos, alcanzando con éxito un SPF anual superior a cuatro para un edificio nuevo con altas cuotas de demanda de ACS (60% de la demanda de SH incluidas las pérdidas por recirculación) a altas temperaturas. La Fig. 4 muestra la temperatura de salida de la bomba de calor de CO2 al suministro de ACS y SH ya la salida del evaporador (sobreenfriador) durante dos días de invierno, seguidos de un día de primavera. Durante todas las horas de funcionamiento de casi dos días consecutivos, el agua se sobreenfrió constantemente mientras la bomba de calor estaba en funcionamiento (el almacenamiento de hielo se estaba congelando), y no se observó ni una sola congelación no deseada. En esta prueba se simuló y emuló la generación de hielo a partir del agua sobreenfriada y su almacenamiento en un tanque de suspensión de hielo. Estos resultados muestran la validación del sistema en condiciones límite dinámicas realistas en las que el enfoque de sobreenfriamiento que utiliza un intercambiador de calor de soldadura fuerte compacto con recubrimientos icephobic funcionó de forma estable. Para un sistema de ampliación, se necesita un almacenamiento de hielo de 56 m3 y un área colectora de 76 m2 para cubrir los 51 MWh de demanda total de calor.

Por primera vez en todo el mundo, se ha validado en el laboratorio el funcionamiento estable de un sistema de bomba de calor de lodos con superenfriamiento para aplicaciones de calefacción residencial, lo que supone un importante avance tecnológico. Además, fue posible utilizar intercambiadores de calor de soldadura fuerte muy compactos que se utilizan comúnmente en las bombas de calor residenciales de última generación como superenfriadores. El siguiente paso será probar el sistema completo con un cristalizador de hielo real y un tanque de suspensión de hielo, que no se desarrollaron dentro del proyecto TRI-HP y, por lo tanto, no se probaron físicamente en este proyecto.

Almacenamiento de alta densidad de energía para enfriamiento de carga máxima La tecnología de suspensión de hielo que usa el método de sobreenfriamiento desarrollado en el proyecto TRI-HP para una fuente de calor eficiente para bombas de calor en aplicaciones de calefacción residencial también puede usarse para aplicaciones de enfriamiento. De hecho, este es probablemente el mayor potencial de mercado para esta tecnología en todo el mundo. La alta densidad de energía almacenada en el hielo se puede utilizar para cubrir las cargas máximas de refrigeración durante unas pocas horas al día, desplazando el consumo de electricidad a momentos en los que la electricidad es barata o cuando la electricidad fotovoltaica está disponible. Sin embargo, la eficiencia de la enfriadora cae significativamente cuando se opera por debajo de 0 °C para producir hielo en comparación con el almacenamiento de agua, donde la energía se puede almacenar mucho más cerca de la demanda-suministro de enfriamiento. Para hacer frente a este problema, el proyecto de seguimiento BEST-STORAGE desarrollará un sistema de suspensión de material de cambio de fase (PCM) capaz de almacenar energía a alrededor de 6 a 12 °C con una densidad de energía en el rango de 35 kWh/m3, que es seis veces más grande que el almacenamiento de agua con una diferencia de temperatura de 6°C. Además, la eficiencia del enfriador aumentará al menos un 20 % en comparación con el almacenamiento de hielo debido a la mayor temperatura de fusión del PCM. El proyecto BEST-STORAGE comenzó en enero de 2023 y demostrará la tecnología de lodos PCM para cambiar las cargas máximas de enfriamiento en aplicaciones reales durante 2026.

En el concepto de hielo solar explicado anteriormente, un almacenamiento de lodo de hielo actúa como un almacenamiento estacional de baja temperatura que se carga con energía solar en verano para descargarse principalmente en invierno como fuente de calor para la bomba de calor. No obstante, la bomba de calor tiene que utilizar electricidad cuya disponibilidad puede ser escasa en los períodos invernales más fríos en escenarios energéticos futuros libres de combustibles fósiles. En general, se necesitan grandes cantidades de energía para el suministro de calor de los edificios en los fríos meses de invierno, cuando la energía solar escasea y las fuentes renovables no pueden cubrir toda la demanda. Por lo tanto, serán necesarias soluciones de almacenamiento estacional capaces de satisfacer la demanda de calefacción para descarbonizar completamente los sistemas de suministro de energía. Dentro del proyecto BEST-STORAGE, se seguirá desarrollando y demostrando en el campo un almacenamiento de alta densidad de energía basado en una tecnología termoquímica con capacidades de suministro de calor de hasta 8 kW. El concepto de almacenamiento funciona como una bomba de calor de sorción impulsada térmicamente a base de hidróxido de sodio acuoso (NaOH), un material abundante y muy económico. Con esta tecnología, la energía sobrante de fuentes renovables intermitentes como la fotovoltaica, la solar térmica o la eólica se almacena sin pérdidas para ser utilizada posteriormente durante los periodos más fríos del invierno.

TRI-HP involucra a 11 socios de siete países europeos diferentes (Bélgica, Dinamarca, Alemania, Noruega, España, Suecia y Suiza): siete socios de I+D (SPF-OST, TECNALIA, IREC, ISOE, NTNU, DTI, UASKA), tres PYMES (HEIM, ILAG), un gran socio industrial (ALFA LAVAL) y una ONG (REHVA). El proyecto está coordinado por SPF-OST.

BEST-STORAGE involucra a 12 socios de siete países europeos diferentes (Bélgica, Estonia, Alemania, Grecia, Holanda, España y Suiza): tres socios de I+D (CERTH, TECNALIA, TEKNIKER), tres universidades (SPF-OST, SUPSI, TUB), un gran socio industrial (GIROA/VEOLIA), tres pymes (AVA, NEWTON, SOLINTEL) y dos asociaciones sin ánimo de lucro (EHPA, TREA). La coordinación administrativa está a cargo de SOLINTEL y la coordinación técnica está a cargo de SPF-OST.

El proyecto TRI-HP ha recibido financiación de Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 814888. El proyecto BEST-STORAGE ha recibido financiación de Horizonte Europa de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 101096516.

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