Combinar bombas de calor de aire residenciales con intercambiadores de calor aire-geotermia

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Investigadores de la Universidad de Padua (Italia) han propuesto mejorar el rendimiento de las bombas de calor de aire residenciales con intercambiadores de calor aire-geotermia y han descubierto que esta combinación puede reducir el consumo de energía hasta en un 30%.

Los científicos evaluaron el rendimiento de la combinación propuesta en un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) instalado en un edificio unifamiliar pasivo situado en Valtellina, al norte de Italia. El grupo de investigación describe la unidad HVAC como una unidad de tipo “todo aire” basada en un intercambiador de calor aire-geotérmico de precalentamiento/preenfriamiento, una unidad de bomba de calor y una resistencia térmica integradora de postcalentamiento.

“El objetivo del estudio es investigar el comportamiento de un sistema de bomba de calor aire-geotermia para identificar los principales factores que afectan al rendimiento del sistema en condiciones reales de funcionamiento y determinar cuantitativamente la reducción del consumo energético debida a la integración del intercambiador de calor aire-geotermia en el sistema de calefacción/refrigeración”, señalan los académicos.

En la configuración del sistema propuesto, el intercambiador de calor aire-geotermia se utiliza para precalentar o preenfriar el aire en función de la estación del año. “Esta disposición garantizaba una temperatura casi constante en las estaciones de calefacción y refrigeración, independientemente de la temperatura del aire exterior”, añadió el equipo de investigación.

La unidad de bomba de calor utilizada en el experimento es un modelo Compact P del fabricante danés Nilan que está pensado para funcionar tanto como sistema de climatización como generador de agua caliente sanitaria (ACS). La resistencia térmica proporciona calor durante los periodos de alta demanda de calor. “La unidad está diseñada para funcionar en configuración autónoma, por lo que la entrada de aire puede ser aire exterior en el caso de suministro directo desde el ambiente exterior o aire pretratado por el intercambiador aire-geotermia”, subraya el grupo.

En la temporada de calefacción, la bomba de calor se activa cuando la recuperación pasiva de calor del intercambiador geotérmico no basta para garantizar el nivel de confort deseado, o cuando la demanda de ACS es particularmente elevada. En la temporada media, el aire pretratado por el intercambiador de calor aire-geotermia se transporta a la bomba de calor y el aire de entrada alimenta directamente el ambiente interior, sin intercambio térmico. En la temporada de verano, cuando el aire suministrado a la unidad de bomba de calor se calienta demasiado para satisfacer las necesidades de refrigeración del edificio, se activa el compresor y el aire se enfría en el evaporador.

El sistema se modeló con el programa Matlab y se comprobó que el intercambiador de calor aire-geotermia resulta beneficioso, ya que reduce significativamente la demanda de calefacción y refrigeración durante el año de funcionamiento en la modelización, lo que a su vez se traduce en una reducción del 30% del consumo eléctrico.

“Desde un punto de vista cuantitativo, el análisis estimó que en invierno de 2019 sin la unidad geotérmica de aire, el consumo de electricidad sería un 130% del medido, debido a la mayor demanda térmica, que a su vez condujo a un mayor funcionamiento del calentador eléctrico posterior a la calefacción”, explicaron además los científicos. “En verano de 2019, la bomba de calor fue incapaz de satisfacer las necesidades de refrigeración de la casa”.

También destacaron que minimizar la ventilación interior, con temperaturas exteriores bajas, es un factor clave para reducir la demanda de calor interior. “Los resultados confirmaron la influencia de las condiciones de entrada de aire y de la estrategia de control en el rendimiento de la unidad, tanto en el modo de calefacción como en el de refrigeración”, concluyeron.

La combinación propuesta se describió en el estudio “Analysis of a domestic air heat pump integrated with an air-geothermal heat exchanger in real operating conditions: The case study of a single-family building” (Análisis de una bomba de calor de aire doméstica integrada con un intercambiador de calor aire-geotérmico en condiciones reales de funcionamiento: Estudio de caso de un edificio unifamiliar”, publicado en Energy and Buildings.

Otro equipo de investigación de la Universidad de Padua presentó el año pasado una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar de 5 kW que utiliza alternativamente dos tecnologías de evaporador diferentes. Este sistema utiliza como evaporador un intercambiador de calor de serpentín con aletas de aire o colectores solares fotovoltaicos-térmicos (PVT).

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