Bombas de calor asistidas por energía solar frente a bombas de calor aerotérmicas

Un grupo internacional de científicos ha realizado durante un año un análisis comparativo de dos tipos de bombas de calor para calentar agua: las bombas de calor asistidas por energía solar de expansión directa (DX-SAHPWH, por sus siglas en inglés) y las bombas de calor aerotérmicas (AHPWH). Ambos sistemas se examinaron mediante modelización numérica, suponiendo que se desplegaran con idénticos parámetros en Teherán, la capital de Irán.

“Para que esos calentadores de agua sean comparables, se supone que todos los parámetros de diseño de ambas bombas de calor son los mismos y con componentes idénticos”, explica el grupo de investigación. “Para el sistema de agua caliente con bomba de calor asistida por energía solar, el evaporador es el colector térmico solar de placa plana, mientras que para el calentador de agua con bomba de calor alimentado por aire, el evaporador es un intercambiador de calor líquido-aire de baja temperatura con la misma superficie y configuración que el colector solar no acristalado, sin embargo, se elimina la placa de la parte superior”.

Se ha supuesto que el colector térmico y el intercambiador de calor líquido-aire tienen una superficie de 4,21 m2. En el caso del DX-SAHPWH, el condensador está formado por un tubo de cobre serpenteante de 60 metros sumergido en el depósito de agua caliente sanitaria y que actúa como intercambiador de calor termosifón. El fluido de trabajo elegido es R-134a.

“En la formulación del calentador de agua con bomba de calor aerotérmica, las relaciones termodinámicas de los componentes, así como los parámetros, son los mismos que los de la bomba de calor asistida por energía solar”, añaden los académicos. “Sólo hay que modificar la ecuación del evaporador, suponiendo que la velocidad del ventilador es igual a 10 m/s”.

Modelizando los dos sistemas, los investigadores calcularon su coeficiente de rendimiento (COP) mensual y el consumo eléctrico durante un periodo de 12 meses. Para cada mes, utilizaron como entrada los datos del día medio sobre el factor de nubosidad, la radiación horizontal, la temperatura ambiente y la velocidad del viento. El objetivo de agua caliente en todos los casos era de 50 ºC, 60 ºC y 70 ºC.

“La comparación del COP entre esos sistemas para las tres temperaturas del agua caliente durante todos los meses muestra que hay menos de 0,1 de diferencia en el COP”, mostraron los resultados. “En otras palabras, ambos sistemas rinden casi lo mismo durante las distintas estaciones y temperaturas del agua de demanda. Para ambos sistemas, el COP tiene el valor más bajo de 2,0 en el mes más frío de enero, y el valor más alto de 2,8 en el mes más caluroso de agosto. El sistema DX-SAHPWH funciona con un COP muy ligeramente mejor en comparación con el sistema AHPWH en todos los meses”.

En cuanto al consumo eléctrico, el análisis demostró que ambos sistemas consumen casi la misma electricidad durante las diferentes estaciones y las distintas demandas de temperatura del agua. “Para ambos sistemas, el consumo de energía tiene el valor más bajo de 3.850 MJ en el mes más frío de enero, y el valor más alto de 4.900 MJ en el mes más caluroso de agosto. El sistema DX-SAHPWH consume muy ligeramente menos electricidad que el sistema AHPWH en algunos meses, mientras que en otros es al contrario”, señalaron.

Mediante un análisis de sensibilidad, el grupo científico descubrió que cuando la irradiancia se duplica de 500 W/m2 a 1.000 W/m2, la ganancia de calor solar aumenta un 49% en el sistema DX-SAHPWH para agua caliente a una temperatura de 50 ºC. Además, para el mismo aumento de irradiancia y la misma temperatura del agua, la temperatura del evaporador aumenta un 55%, de 22,32 ºC a 34,65 ºC.

“A medida que las condiciones meteorológicas cambian en términos de irradiancia y temperatura ambiente a lo largo del año, el rendimiento de la DX-SAHPWH cambia drásticamente para la mayoría de los parámetros de funcionamiento”, añaden. “Por ejemplo, la diferencia de temperatura del evaporador entre enero y agosto es de 21,8 ºC (de 4,9 ºC a 26,7 ºC) para una temperatura del agua caliente de 50 ºC. Del mismo modo, el trabajo del compresor varía entre 2.850 y 5.868 MJ anuales, es decir, un 106 % de cambio. Sin embargo, el COP mostró menos variación entre los distintos meses, ya que varía entre 2,04 y 2,79 para el depósito de agua a 50 ºC”.

Como conclusión de su investigación, los académicos afirmaron que para temperaturas más bajas y niveles más altos de radiación solar, se recomienda el DX-SAHPWH. Sin embargo, señalaron que para temperaturas más altas y radiaciones más bajas, el AHPWH funciona de forma más eficiente.

Sus conclusiones se presentan en el artículo “Annual comparative performance of direct expansion solar-assisted and air-source heat pumps for residential water heating” (Rendimiento comparativo anual de bombas de calor de expansión directa asistidas por energía solar y de aire para calentamiento de agua residencial), publicado en la revista International Journal of Thermofluids. La investigación fue realizada por científicos del University College de Dublín (Irlanda), el Centro MaREI de Energía, la Universidad China del Petróleo y la Universidad Rice de Estados Unidos.