Bomba de calor para ACS a partir de fuentes de calor residual

Bomba de calor agua-agua

Se trata de una bomba de calor agua-agua para la producción de agua caliente sanitaria. La innovación surge a partir del proyecto europeo “Next Generation of Heat Pump Technologies (NEXTGHP)” cuyo objetivo principal fue el desarrollo de 5 prototipos de bomba de calor entre los que se encuentra la que se desarrolló en la Universidad Politècnica de Valencia en el Instituto de Ingeniería Energética.

Esta bomba de calor ha recibido el premio de innovación 2017 otorgado por la “WSSET - World Society of Sustainable Energy Technologies”.

La bomba es capaz de producir agua caliente (hasta 90°C) a partir de la recuperación del calor residual de focos a baja temperatura (entre 15-40°C), tales como el calor que se pierde por los desagües en las casas o por ejemplo en los bucles de condensación de sectores industriales en aplicaciones donde existe una demanda alta de refrigeración, que actualmente se desperdician en el ambiente trabajando, además, con un refrigerante natural, propano.

Es capaz de operar con coeficientes de rendimiento mayores de 6 gracias a la optimización del grado de subenfriamiento a la salida del condensador con el que trabaja la instalación dependiendo de las condiciones ambientales. Por consiguiente, es posible lograr un importante ahorro económico frente a uso de tecnologías convencionales de producción de agua caliente.

Además, se basa en el aprovechamiento de un calor residual y utiliza propano (fluido natural) como refrigerante contribuyendo así con los objetivos medioambientales marcados por la Unión Europea.

Aplicaciones

El rango de aplicaciones es muy amplio: desde industriales a domésticas, en definitiva, cualquier proceso donde se tenga un foco térmico a temperatura ligeramente superior al ambiente y se necesite agua caliente (hoteles, hospitales, casas, empresas con demanda en refrigeración, supermercados, etc.).

En el sector doméstico o residencial, la fuente de calor utilizada es el calor del agua residual proveniente de los desagües de aguas grises (normalmente a unos 20-30°C) mientras que en el sector industrial o comercial este foco caliente puede encontrarse en bucles de condensación -que actualmente suele disiparse al ambiente- y que se encuentran a temperaturas en torno a los 30-40°C. Además, estas temperaturas presentan una fluctuación estacional baja por lo que, especialmente en climas fríos, las hace una fuente de calor renovable con gran potencial.

Un esquema, para el sector doméstico, por ejemplo, puede verse a continuación:

Tal y como puede observarse, se recolectan las aguas grises en un tanque desde donde se extrae el caudal requerido a una temperatura aproximadamente de 20°C. Este flujo pasa primero por un intercambiador de calor recuperador mediante el cual se aprovecha parte del calor residual de las aguas grises para aumentar la temperatura del agua del grifo que debe calentarse.

Del intercambiador, las aguas grises salen a unos 17°C y es éste, el foco térmico que finalmente aprovecha la bomba de calor para calentar el agua desde unos 25°C a los 60°C requeridos en procesos de agua caliente sanitaria.

Por su parte, el agua caliente sanitaria se consigue a partir de agua de red, que se precalienta mediante el intercambiador recuperador de calor hasta unos 20°C aprovechando directamente el calor residual de las aguas grises para ser calentado por la bomba de calor y, posteriormente, almacenado en el depósito de acumulación hasta su consumo.

Así, a modo de ejemplo, para un bloque de edificios con una demanda continua de ACS a 60°C de 122.4 litros/hora, una temperatura de aguas grises de 20°C y agua de la red a 10°C, una capacidad de calentamiento de 5.5kW y un intercambiador de calor recuperador de 1.3kW podría obtenerse un beneficio de 850€ anuales en comparación con la misma producción de ACS mediante el uso de una caldera de gas considerado una ratio (coste eléctrico) / (coste de gas) de 3.7.

Éste es un esquema de una posible aplicación. Sin embargo, la innovación desarrollada en la bomba de calor por la UPV se basa en la capacidad de trabajar a COPs muy altos gracias a:

• Una modificación del ciclo del refrigerante para poder trabajar a subenfriamientos variables (hasta 50K) dependiendo de las condiciones. Se ha demostrado que gracias al subenfriamiento pueden obtenerse mejoras de rendimiento mayores al 30% cuando se trabaja con grandes saltos de temperaturas en el fluido secundario (como es el caso de preparación de agua caliente). 
• Desarrollo de un algoritmo de control del sistema que permite trabajar con el grado óptimo de subenfriamiento para las diferentes condiciones de operación.

La figura 2 muestra la variación del COP con el grado de subenfriamiento para diferentes saltos de temperatura del agua en el condensador y una temperatura de entrada al evaporador de 20°C. Como puede observarse, existe una mejora notable del rendimiento de la misma con el aumento del subenfriamiento hasta llegar a un máximo (punto óptimo) a partir del cual se deteriora debido a un aumento de la presión de condensación.

Finalmente, cabe destacar que, tanto para la modificación del ciclo del refrigerante como su control, simplemente se requiere de un depósito de líquido situado a la salida del evaporador respecto a los componentes básicos que componen una bomba de calor simple. Por tanto, se trata de una mejora económicamente competente en comparación con las actuales alternativas en el mercado.