Optimización de las bombas de calor de CO2 para obtener el máximo rendimiento
Las bombas de calor absorben la energía térmica de fuentes ambientales —sobre todo el aire, pero también el suelo o el agua— para transferirla a fin de calentar o enfriar. Dado que necesitan poca electricidad y no dependen de los combustibles fósiles, son muy eficientes y limpias. Debido a su alto rendimiento en muchos de los climas moderados de Europa, son muy prometedoras para ayudar a alcanzar los objetivos de cero emisiones netas(se abrirá en una nueva ventana). Las bombas de calor de CO2 funcionan de la misma manera, pero, en lugar de utilizar un fluido refrigerante químico (como los hidrofluorocarbonos (HFC)), utilizan CO2 para el proceso de transferencia de energía. «Son incluso más respetuosos con el medio ambiente, porque el CO2 no se libera a la atmósfera. El CO2 tampoco es tóxico y tiene un potencial de calentamiento global(se abrirá en una nueva ventana) mucho menor que las alternativas químicas», explica Natasa Nord, coordinadora del proyecto ROCOCO2HP. Sin embargo, cuando se conectan a un sistema de calefacción, las bombas de calor de CO2 son muy sensibles a las altas temperaturas del líquido a la entrada del refrigerador de gas o a las altas temperaturas del líquido de retorno del sistema de calefacción. El equipo del proyecto ROCOCO2HP, que contó con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), descubrió que el ajuste del tamaño y el rendimiento del refrigerador de gas, junto con los cambios en la válvula de expansión, ayudaban a superar esta limitación de rendimiento. Esto les permitió desarrollar un modelo(se abrirá en una nueva ventana) para guiar el dimensionamiento y la elección de las propiedades de los componentes.
Ajuste de la configuración
Para intercambiar energía en una bomba de calor de CO2, un enfriador de gas utiliza el CO2 a alta temperatura y alta presión para calentar el agua, que luego calienta los edificios. En una bomba de calor clásica, el enfriador de gas será un condensador, pero en una bomba de calor de CO2 sin condensación, el CO2 enfriado a alta presión y menor temperatura entra en una válvula de expansión, y actúa a modo de acelerador. Al bajar la presión en la válvula de expansión, el CO2 entra en un evaporador y se evapora a una presión y temperatura más bajas. A continuación, se comprime para convertirse de nuevo en calor útil y, de esa manera, se completa el ciclo. En las bombas de calor de CO2, la temperatura del agua de retorno del sistema de calefacción debe ser inferior a 31 °C. Sin embargo, a menudo es más alta, lo que hace que la válvula se estrangule demasiado pronto para que la evaporación sea eficiente y, por ello, ofrece un menor aporte de calor al evaporador y una menor producción de calor útil en el enfriador de gas, lo que en última instancia se traduce en un coeficiente de rendimiento calórico (COP, por sus siglas en inglés) pobre. Tras adquirir una planta de bomba de calor de CO2, el equipo la conectó a la plataforma virtual LabVIEW(se abrirá en una nueva ventana) para supervisarla y controlarla. Para centrarse específicamente en el problema de las altas temperaturas de retorno no deseadas del sistema de calefacción, utilizaron una «sala de calefacción», calentada por diferentes aparatos, como radiadores, todos ellos tomando el calor de su bomba de calor de CO2 alimentada por aire. «Estos experimentos pusieron de manifiesto que las configuraciones actuales de las bombas de calor de CO2 carecían de los controles necesarios para alcanzar los niveles de rendimiento deseados», afirma Nord, de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología(se abrirá en una nueva ventana), entidad anfitriona del proyecto. Para aumentar el COP, el equipo utilizó su configuración de LabVIEW para probar diversos parámetros, como cambios en las cargas parciales de calefacción, controles del compresor, ajustes de las válvulas y presión de descarga. «Descubrimos que el área del enfriador de gas debía ser mayor para enfriar mejor el fluido de CO2. Además, como la válvula de expansión de las plantas residenciales habituales es pequeña, deberían ser de mayor calidad, para controlar mejor el flujo de CO2», añade Nord.
Hacia un sistema de control óptimo en tiempo real
A medida que la Unión Europea se aleja de los combustibles fósiles y avanza hacia un futuro más ecológico con hogares de consumo de energía casi nulo, las bombas de calor de CO2 desempeñarán un papel fundamental. «Nuestros hallazgos pueden servir de base para las directivas y normativas, lo que dará lugar a mejores productos y servicios y, en última instancia, a una energía más barata y ecológica», concluye Nord. El objetivo final de ROCOCO2HP es desarrollar un sistema de control óptimo de las bombas de calor de CO2 en tiempo real, como parte del sistema de suministro de energía de un edificio.
