Científicos de la Universidad china de Chongqing han diseñado un sistema de bomba de calor de doble fuente solar-aire para calentar agua en casas rurales autoconstruidas de la región china de Pekín-Tianjin-Hebei.
“Nuestro sistema puede mantener un rendimiento de calefacción estable incluso en condiciones meteorológicas adversas, con bajas temperaturas o radiación solar limitada”, declaró a pv magazine Jun Lu, autor correspondiente de la investigación.
Los investigadores describieron el sistema propuesto como una bomba de calor de doble fuente compuesta de aire solar y eyector mejorado (EDHP, por su acrónimo en inglés) que utiliza colectores térmicos fotovoltaicos (PVT). La bomba de calor utiliza inicialmente un compresor para convertir vapor a baja temperatura y baja presión en vapor sobrecalentado a alta temperatura y alta presión.
A continuación, este vapor se reparte entre los colectores PVT y un intercambiador de calor de fuente de aire mientras pasa por válvulas de expansión que ajustan las presiones necesarias en función de la intensidad de la irradiación solar y la temperatura ambiente. “El eyector aprovecha el refrigerante de alta presión como corriente principal impulsora para aumentar la presión del refrigerante de baja presión”, explican los académicos. “Después, el refrigerante mezclado de la salida del eyector vuelve al compresor”.
El sistema también utiliza un inversor para almacenar la electricidad generada por los módulos PVT en las baterías o para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) que puede utilizarse para alimentar el compresor o inyectarse en la red.
La bomba de calor funciona con tres modos de funcionamiento: en modo asistido por energía solar, en el que el calor necesario para el proceso de calefacción lo proporcionan los colectores PVT; con radiación solar insuficiente, cuando tanto el evaporador refrigerado por aire como el colector/evaporador solar funcionan simultáneamente; y con el uso de aire ambiente como fuente primaria de calor, lo que supuestamente garantiza un funcionamiento continuo de la calefacción.
Los académicos realizaron una serie de simulaciones para evaluar el rendimiento del sistema de bomba de calor y analizaron, en particular, las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo, el refrigerante ecológico R134a. “El eyector desempeña un papel crucial en la mejora del rendimiento de circulación de los ciclos de compresión de vapor”, afirmaron. “A medida que aumenta la presión del flujo primario del eyector, aumenta el coeficiente de rendimiento (COP), mientras que la disminución del COP se produce simultáneamente con la disminución de la presión del flujo secundario del eyector”.
Supusieron que el sistema funcionaba a una temperatura de -5 ºC y un nivel de irradiancia de 250 W/m2. También consideraron la utilización de 20 m2 de colectores PVT para un suministro de calefacción de 5 kW.
La evaluación demostró que la bomba de calor era capaz de alcanzar un COP de 4,271, que según los académicos es más de un 25% superior al logrado por las bombas de calor aerotérmicas convencionales. “La reducción de la demanda de electricidad de la red puede llegar hasta el 51,96% incorporando la electricidad generada por los paneles fotovoltaicos”, añadieron.
Estimaron el periodo de amortización del sistema entre 10 y 12 años.
El sistema se describe en el artículo “Thermodynamic and economic analyses of modified ejector enhanced solar-air composite dual-source heat pump system in residential buildings” (Análisis termodinámicos y económicos del sistema de bomba de calor de doble fuente compuesta de aire-solar mejorado con eyector modificado en edificios residenciales), publicado en Energy and Buildings.
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