Bomba de calor para consumos elevados de ACS mediante refrigerante CO2

El uso de estos equipos que usan como refrigerante el CO2, se presenta como un sustituto claro de los refrigerantes sintéticos por su impacto negativo sobre el medio ambiente y de las calderas que utilizan combustibles de origen fósil debido a su elevado consumo y a sus emisiones contaminantes.

En la pasada edición de la Feria Climatización & Refrigeración, la empresa Eurofred, pionera en España en la instalación de este tipo de máquinas, impartió una ponencia para explicar las ventajas y beneficios de la bomba de calor para consumos elevados de ACS mediante refrigerante CO2. José López, Responsable de Producto Industrial de Eurofred, comenzó su intervención repasando la historia del CO2 para, posteriormente, centrarse en las principales características de estos equipos.

El refrigerante CO2 como gas -conocido en el mercado bajo la denominación técnica de gas R744- se empieza a utilizar a partir de 1850 con la primera patente. Después de algunos experimentos en globos aerostáticos con uso militar, en 1867 se diseña un artilugio de fabricación de hielo usando el propio refrigerante CO2 como gas. Su uso se fue incrementando gracias a sus bajos costes de obtención, pero a partir de la década de los 40 empieza a decaer, llegando casi a desaparecer del mercado hacia 1960.

Como consecuencia del potencial de calentamiento global, la comunidad internacional replantea su utilización, resurgiendo con fuerza nuevamente. Aunque en España su presencia es aún testimonial, en países como Japón el uso de las bombas de calor de CO2 para la producción de ACS está muy extendido desde principios de este siglo, ya que los consumos de agua caliente sanitaria en los hogares japoneses suelen ser elevados, por encima del 30%.

Excelentes propiedades

El esquema de funcionamiento es simple: la energía calorífica del aire es absorbida por la unidad exterior que, mediante el refrigerante de CO2, la transfiere al agua del acumulador para alcanzar la temperatura deseada y distribuirla cubriendo grandes necesidades de ACS. El rendimiento de la bomba de calor depende de la temperatura exterior de la zona y de la temperatura de retorno del agua a la propia bomba de calor.

La bomba de calor de CO2 en una sola unidad está pensada para su uso en grandes consumos de ACS –a partir de 2.000 litros/día y con posibilidad de llegar hasta los 15.000 litros/día-, que son los que se producen en lavanderías, hoteles, gimnasios, hospitales, procesos industriales, etc. También se pueden conectar en paralelo –ya hay proyectos al respecto-, pudiéndose alcanzar consumos de hasta 75.000/100.000 litros/día sin problema. Estos equipos pueden llegar a trabajar con temperaturas exteriores de entre -20ºC y 40ºC.

Entre las principales propiedades del CO2 destacan que es completamente natural -lo encontramos en la troposfera a razón de 350 partes por millón-, es incombustible -se utiliza para la extinción de incendios-, no es tóxico, no es corrosivo, es sostenible, y es económico –unos 3 €/kg-.

Respecto a las características de la bomba de calor con CO2, la más importante es que disipa el calor por encima del punto crítico (ciclo transcrítico), produciéndose un enfriamiento del CO2 a una temperatura no constante. También destaca por tener un gran deslizamiento de temperatura del refrigerante, el cual contribuye a un muy buen acercamiento de temperaturas en el intercambiador de calor también llamado gas-cooler; una alta capacidad volumétrica permitiendo el diseño frigorífico con componentes más pequeños y, a su vez, una baja relación de compresión; muy alta eficiencia energética a altas temperaturas; y porque produce agua caliente sanitaria hasta 90ºC. Su gran eficiencia permite un menor consumo, reduciendo el gasto anual de la factura hasta un 70% respecto a las calderas convencionales.

Comparativa bomba de calor versus caldera de gas natural

El representante de Eurofred puso el ejemplo de un edificio en Barcelona con el objetivo de demostrar el ahorro en consumo energético y en toneladas de CO2 emitidas a la atmosfera, “lo cual nos permite sustituir una instalación de paneles solares térmicos según se especifica en el CTE – H4”.

Concretamente se trata de un hotel de tres estrellas, con 70 habitaciones y 140 camas, con un consumo de 55 litros por persona y día a la temperatura de referencia de 60ºC, que suponen un total de 7.700 litros/día, o lo que es lo mismo, una demanda energética anual de 164.349 kWh. Para ello se ha utilizado una temperatura media anual exterior de 16ºC y una temperatura media anual del agua de red de 14ºC.

Según la normativa CTE el hotel se encuentra ubicado en zona climática II, teniendo que cubrir un 40% de la contribución anual con captadores solares - 65.740 kWh- y el 60% restante con una caldera a gas natural -98.609 kWh- con un rendimiento medio de cálculo del 92%, tal y como está indicado en el IDAE.

La bomba de calor de R-744 seleccionada tiene un COP a 65ºC de 4,51. Tomando como factor de conversión de referencia el establecido por el IDAE, tenemos que SPF = 4,51 x 0,8 x1 = 3,61; por tanto, supera el 2,5 mínimo de corte establecido.

Usando los coeficientes de IDAE de 2011 de los factores de conversión energía final-energía primaria y los factores de emisión de CO2, que son mucho más restrictivos que la actual Resolución conjunta de los Ministerios de Industria, Energía y Turismo y de Fomento, de julio de 2014, el resultado final es el que aparece reflejado en el siguiente gráfico: