La bomba de calor de próxima generación podría reducir las facturas de energía y las emisiones
Agosto 2022
PROFESOR ZHIBIN YU
Las bombas de calor son una alternativa baja en carbono a las calderas de gas, ya que extraen energía de fuentes externas de baja temperatura, más comúnmente del aire exterior.
En todo el mundo, alrededor del 40% de las emisiones de carbono provienen de la calefacción alimentada por combustibles fósiles. El gobierno del Reino Unido se ha fijado el objetivo de 600 000 instalaciones de bombas de calor por año para 2028, a fin de reducir la huella de carbono del país. Sin embargo, la capacidad de calefacción y la eficiencia energética de la generación actual de bombas de calor pueden verse afectadas por el clima frío, especialmente en el caso de las bombas de calor de fuente de aire.
Fig. 1: El ciclo de bomba de calor flexible en comparación con el ciclo estándar de bomba de calor de una etapa (es decir, el ciclo Evans-Perkins).
una bomba de calor de ciclo de compresión de vapor de etapa única estándar; b el diagrama de ph correspondiente (refrigerante R134a) que muestra que la energía térmica sustancial no utilizada contenida en el refrigerante líquido caliente que sale del condensador se degrada durante el proceso de estrangulación 3-4; c el ciclo de bomba de calor flexible propuesto con almacenamiento de calor para recuperar parte del calor de subenfriamiento y luego utilizarlo como fuente de calor auxiliar.
De: Un ciclo de bomba de calor flexible para la recuperación de calor
La investigación describe cómo la nueva tecnología de bomba de calor flexible proporciona una solución elegante y de bajo costo a los problemas de las bombas de calor actuales mediante la integración del almacenamiento de calor: un pequeño tanque de agua y un serpentín de tubo de cobre. El depósito de agua recupera parte del exceso de energía térmica producida durante el funcionamiento de la bomba y la almacena como fuente de calor adicional para utilizarla en el funcionamiento posterior.
El calor recuperado tiene una temperatura mucho más alta que el aire exterior que proporciona la fuente de calor, y se puede reutilizar como fuente de calor temporal, lo que reduce sustancialmente el consumo de energía de la bomba.
La investigación ha demostrado las ventajas de la nueva bomba de calor mediante la construcción de un prototipo de trabajo utilizando componentes listos para usar. Las pruebas con los diseños de bombas de calor de la generación actual han demostrado que el diseño es alrededor de un 3,7 % más eficiente, con una temperatura de suministro de calor relativamente baja de 35 °C.
Fig. 2: Funcionamiento en cuasi-dos etapas del ciclo de bomba de calor flexible y sus diagramas termodinámicos.
De: Un ciclo de bomba de calor flexible para la recuperación de calor
un modo de carga. b Diagrama ph del modo de carga. c Modo de descarga: se puede usar para calefacción espacial con un COP más alto o agua caliente sanitaria con una temperatura más alta. Diagrama d ph del modo de descarga. e Descarga con modo descongelación. f Diagrama ph de la modalidad de descarga con desescarche. Las conexiones indicadas con líneas discontinuas están desactivadas.
El profesor Zhibin Yu , profesor de Energía Térmica en la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow , dirigió la investigación y el desarrollo de la bomba de calor flexible. Él dice: “Estamos en un momento crítico en nuestro movimiento global hacia cero neto, donde debemos comenzar a ampliar nuestra infraestructura baja en carbono de manera rápida y efectiva. Esa urgencia se siente particularmente aguda ahora, donde los precios de la energía están aumentando y muchos hogares enfrentan facturas que aumentan rápidamente.
“Las ventajas de la bomba de calor flexible frente a los productos de bomba de calor actuales son análogas a las ventajas de la caldera de condensación frente a la caldera sin condensación: ambas recuperan el exceso de calor para mejorar en gran medida la eficiencia.
Fig. 3: Resultados de la simulación del ciclo de bomba de calor flexible con almacenamiento de calor latente para una temperatura de evaporación de 0 °C cuando la temperatura de condensación varía de 25 a 70 °C.
De: Un ciclo de bomba de calor flexible para la recuperación de calor
una mejora de COP {{{{{\rm{\alpha }}}}}}}_{{{{{{\rm{Latent}}}}}}} varía según la temperatura de almacenamiento de calor latente varía para cada temperatura de condensación dada. b La mejora máxima del COP aumenta a medida que aumenta la temperatura de condensación. c La temperatura óptima correspondiente del almacenamiento de calor latente varía, aumentando con la temperatura de condensación.
“Nuestra bomba de calor flexible resuelve muchos de los problemas de la generación actual de bombas de calor, haciéndolas capaces de ofrecer un rendimiento mejorado con un menor consumo de energía. El costo del almacenamiento de calor de un tanque de agua pequeño es marginal, pero el ahorro de energía es significativo. Se puede aplicar ampliamente para todo tipo de aplicaciones de bomba de calor. Creemos que esto podría ayudar a impulsar una mejor aceptación de la tecnología de bomba de calor en los hogares de todo el Reino Unido”.
El artículo del equipo, titulado ‘ Una bomba de calor flexible para la recuperación de calor ‘, se publica en Communications Engineering, una revista de la cartera de Nature, y fue financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas.