Modelo de simulación para determinar el coeficiente de rendimiento de las bombas de calor aire-agua

Un grupo de investigadores de la Universidad de Twente (Países Bajos) ha desarrollado un modelo de simulación para determinar con exactitud el coeficiente de rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) de las bombas de calor aire-agua en condiciones de ausencia de hielo.

La novedad del nuevo enfoque consiste en considerar cómo influyen en el COP la temperatura ambiente y la humedad relativa, teniendo en cuenta las caídas de presión del evaporador y el condensador en el proceso de simulación.

El modelo se desarrolla mediante el software Matlab y se basa en la ecualización de la denominada diferencia logarítmica de temperatura media (LMTD), que determina la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en sistemas de flujo como los intercambiadores de calor. “Combina un análisis del impacto de la temperatura ambiente y la humedad relativa en el COP con una simulación de la caída de presión”, explican los científicos.

El modelo tiene en cuenta, en particular, las correlaciones de caída de presión monofásica y bifásica y trata de establecer valores de COP con y sin caída de presión para distintas condiciones ambientales y tres refrigerantes diferentes, a saber, R410A, difluorometano (R32) y propano (R290).

Se supone que las bombas de calor aire-agua tienen una eficiencia isentrópica constante del 80% y que no hay pérdidas de calor en el compresor y la válvula de expansión. “Muchos modelos existentes asumen además condiciones isobáricas en el evaporador y el condensador”, señalan los investigadores. “Sin embargo, la caída de presión afecta a las propiedades del refrigerante y, por tanto, también al COP, y por eso este modelo sí tiene en cuenta la caída de presión”.El método propuesto calcula todos los parámetros desconocidos en condiciones de referencia e incorpora la caída de presión mediante un método iterativo. “Inicialmente, se adivina la diferencia de temperatura entre el aire/agua y el refrigerante a la salida del refrigerante del evaporador/condensador”, explica el grupo. “Si la diferencia de temperatura del evaporador cambiaba después de resolver la diferencia de temperatura del condensador, se repetía el proceso”, dijeron, subrayando el carácter iterativo del proceso.

Según el equipo de investigación, el modelo mostró una desviación de sólo el 1,5% en comparación con los valores COP de la ficha técnica de las bombas de calor. También demostró que la temperatura ambiente tiene una gran influencia en el COP y que la humedad relativa se convierte en un potenciador del rendimiento una vez que comienza la condensación. “Aunque el efecto de la humedad relativa en el coeficiente de rendimiento es menos pronunciado que el de la temperatura ambiente, puede aumentar el rendimiento de la bomba de calor de referencia hasta un 10,4%”, explica el estudio.

El novedoso planteamiento se presentó en el estudio “Performance evaluation of air-source heat pump based on a pressure drop embedded model” (Evaluación del rendimiento de una bomba de calor aerotérmica basada en un modelo de caída de presión), publicado en Heliyon.

De cara al futuro, los académicos afirman que las futuras investigaciones podrían ampliar el modelo con una simulación de congelación y un modo de descongelación. “Para mejorar aún más el modelo, podrían eliminarse supuestos como la ausencia de pérdidas de calor no deseadas y desarrollarse un modelo de evaporador más realista que tenga en cuenta factores como la configuración de las tuberías”, concluyen.