DISTRICT COOLING-HEATING
Aplicación de bombas de calor a las redes de calor y frío
Las ciudades son los entornos donde se produce de manera creciente gran parte del consumo energético. Viviendas, hospitales, centros de datos, edificios de oficinas, hoteles, polideportivos, centros comerciales e industriales conviven unos cerca de otros. La utilización de las fuentes energéticas no se realiza de manera óptima: se produce energía térmica, frío y calor, muchas veces de forma poco eficiente y se disipan grandes cantidades de calor que podría ser reutilizado en las cercanías.
Las exigencias de reducción de demanda, de consumo de energía primaria y de emisiones de gases invernadero nos obligan a diseñar desarrollos urbanos inteligentes, con gran interconexión, con bajas demandas energéticas y que sean atendidos por sistemas que consuman energías renovables. ¿Cómo hacerlo en el ámbito térmico?: recuperando el calor de donde sobra; modernizando y redistribuyendo la energía; reutilizando la energía por los usuarios finales. Ver figura 1.
Aplicaciones con bombas de calor agua-agua con HFO-1234ZE
Existen numerosas posibilidades de uso de este tipo de máquinas en aplicaciones como bomba de calor o como ‘máquina de calor’; es decir, aprovechando la producción de frío y de calor en climatización de edificios, procesos industriales, producción de ACS, etcétera.
El calor puede ser obtenido de fuentes naturales (geotermia de lazo cerrado en terreno o abierto, ríos, mar, etcétera), de calor sobrante de procesos industriales o de centros de datos.
También pueden conectarse para producir agua fría consumida en los centros de datos y aplicaciones industriales, entregando su calor del condensador a una red de calor urbana en lugar de una generación independiente de frío con enfriadoras y calor con calderas.
Un ejemplo de este último caso es el siguiente: las redes urbanas de calor y frío se diseñan con saltos temperatura de 20 o 30 ºc para reducir caudales, tamaños de tuberías y consumo de bombeo.
Para mejorar la eficiencia de la producción de calor y frío con bombas de calor es posible adoptar configuraciones especialmente estudiadas para estos casos, como es la instalación de varias máquinas (dos a cinco unidades) en serie y a contraflujo. Los evaporadores se unen en serie, así como los condensadores, pero de manera que la máquina que impulsa el agua más fría es la que recibe el agua caliente de retorno más fría. De esta manera, se consigue mejorar la eficiencia por ser menores las diferencias de presión entre alta y baja del ciclo frigorífico de cada bomba de calor, además de las ventajas añadidas de necesidad de menor número de bombas y mayor facilidad de aplicación en sistemas de caudal variable de agua en primario.
En la figura 2 se muestra un esquema simplificado de un conjunto de tres bombas de calor agua-agua de alta temperatura con HFO-1234ZE en configuración en serie y a contraflujo. Las máquinas trabajan normalmente enfriando el agua para un centro de datos y recuperando el calor a alta temperatura (85 ºc) para inyectarlo en una red urbana de calor. El exceso de calor puede ser disipado al ambiente (geotermia, mar, río, aire), típicamente en verano. También puede trabajar inyectando agua fría a la red urbana o usando el agua fría de la red urbana como respaldo. A continuación, se muestra una comparación de costes de explotación para dos tipos de instalación: con generación independiente de agua fría en enfriadoras y agua caliente en calderas; y con generación de frío y calor bombas de calor de alta temperatura con HFO-1234ZE.
Los cálculos se han realizado haciendo una simulación energética con el programa HAP de Carrier.
Se ha simulado el comportamiento de las bombas de calor con la configuración arriba comentada, de una potencia de frío de 3000 kw y de calor de 4600 kw para agua fría a 16/6 ºc y agua caliente 65/85 ºc, atendiendo una demanda de frío continua 3000 kw de un centro de datos y una demanda de calefacción y ACS de un barrio residencial con 16 edificios con 480 viviendas, tres edificios de oficinas, un hotel, un gimnasio con piscina, un centro comercial, un centro de salud, una escuela…todo ello sumando 105.000 m2 calefactados, así como una aplicación industrial con una demanda de 200 kw de calor constante. Ver gráfico 1, tabla 1 (‘Comparación de costes de explotación’) y tabla 2 (‘Coste total anual’).
En la comparativa se observa un retorno de la inversión del sistema de bombas de calor con HFO1234ZE en menos de tres años si lo comparamos con el sistema de generación independiente de frío y calor. Todo ello con los supuestos de cálculo empleados.
PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LA PRODUCCIÓN DE CALOR Y FRÍO CON BOMBAS DE CALOR, ES POSIBLE ADOPTAR CONFIGURACIONES ESPECIALMENTE ESTUDIADAS PARA ESTOS CASOS
EL CALOR PUEDE SER OBTENIDO DE FUENTES NATURALES, DE CALOR SOBRANTE DE PROCESOS INDUSTRIALES O DE CENTROS DE DATOS
Conclusión
Las enfriadoras y bombas de calor de tornillo con refrigerante HFO-1234ZE ya son una solución comercialmente disponible para superar los retos medioambientales impuestos por los reglamentos que limitan la disponibilidad de los HFC, elevan los estándares de eficiencia energética, amplían el rango de operación y delta T para su uso en múltiples aplicaciones, siendo una alternativa fiable, rentable y segura.