Investigadores de la Universidad de Chiang Mai, en Tailandia, han evaluado el rendimiento de un sistema de bomba de calor asistida por energía fotovoltaica y térmica de expansión indirecta (IDX-PVT-AHP, por sus iniciales en inglés) diseñado para la producción de agua caliente en el clima tropical de Chiang Mai.
«La aplicación del sistema IDX-PVT-AHP en el clima tropical de Chiang Mai supone un reto notable debido a la alta humedad de la región, que puede provocar la acumulación de humedad en los paneles PVT», afirmó el equipo. «Para mitigar este problema, es esencial regular la temperatura del agua fría y determinar el tamaño óptimo del tanque de almacenamiento de agua fría para evitar un enfriamiento excesivo, al tiempo que se identifica el número adecuado de módulos PVT».
El sistema funciona haciendo circular agua a través de los módulos PVT, que absorben el calor antes de entrar en el tanque de almacenamiento de agua fría. Dentro del tanque, una bobina actúa como evaporador de la bomba de calor, transfiriendo el calor del intercambiador de calor de placas, que funciona como condensador, al tanque de almacenamiento de agua caliente. Además, los módulos PVT generaban electricidad para alimentar el compresor de la bomba de calor, la bomba de agua y los calentadores auxiliares. Cuando la electricidad generada por los módulos PVT es insuficiente, el sistema obtiene energía adicional de la red.
En el primer experimento de simulación, la configuración del sistema comprendía 1 000 litros de almacenamiento de agua caliente y 1 500 litros de almacenamiento de agua fría, conectados a tres módulos PVT. Utilizando células monocristalinas, se alcanzó una potencia máxima de 550 W y una eficiencia del 21,3 %, con un pico térmico de 1 436 W. El compresor tenía una capacidad de refrigeración de 5,7 kW y utilizaba refrigerante R-134. Se probaron cuatro casos para la temperatura mínima del agua fría en el tanque en las condiciones climáticas de Chiang Mai para 2023: el caso 1 a 18 °C, el caso 2 a 21 °C, el caso 3 a 24 °C y el caso 4 al punto de rocío real. La temperatura del punto de rocío es la temperatura a la que comienza a formarse condensación en el aire.
«El menor consumo de energía se logró cuando el punto de ajuste del tanque de almacenamiento de agua fría estaba a 18 °C; esta condición indujo un número excesivo de horas que causaron la condensación del vapor de agua (302 h/año), lo que podría acelerar la degradación del módulo PVT», mostraron los resultados. «Entre los escenarios evaluados, mantener el tanque de almacenamiento de agua fría a la temperatura del punto de rocío proporcionó el equilibrio más favorable entre minimizar el consumo de electricidad y reducir el riesgo de condensación de vapor de agua en los módulos PVT».
En un segundo experimento, la temperatura del agua fría en el tanque se mantuvo constante en el punto de rocío real, mientras que se varió el número de módulos PVT y el tamaño del tanque de agua fría. En cuanto a los PVT, se trataba de los mismos módulos monocristalinos de 550 W, conectados por pares o por tríos. El tamaño del tanque de agua se fijó en 500 L, 750 L, 1000 L o 1500 L. Esta optimización tenía como objetivo encontrar el tamaño que produjera el período de recuperación más corto para calentar 1000 L de agua a 60 °C.
Los académicos también descubrieron que al aumentar el número de módulos PVT mejoraba el rendimiento del sistema y disminuía la dependencia de los calentadores auxiliares, mientras que al ampliar el tanque de almacenamiento de agua fría se mejoraba ligeramente el almacenamiento térmico, pero se alargaba el periodo de amortización.
Llegaron a la conclusión de que la configuración óptima consistía en tres módulos PVT, un tanque de almacenamiento de agua caliente de 1 000 L y un tanque de almacenamiento de agua fría de 1 500 L, lo que permitía equilibrar eficazmente la eficiencia energética, la fiabilidad y el rendimiento económico en condiciones tropicales. También señalaron que, al utilizar un punto de ajuste de la temperatura del punto de rocío, la duración de la condensación del vapor de agua se redujo a solo siete horas al año, mientras que el consumo anual de electricidad se mantuvo bajo, en 7 315,5 kWh, y el periodo de amortización fue de 3,36 años.
El sistema se presentó en «Evaluation of cold water temperature and tank size impacts on a PVT-assisted heat pump system performance for hot water applications» (Evaluación del impacto de la temperatura del agua fría y el tamaño del tanque en el rendimiento de un sistema de bomba de calor asistida por PVT para aplicaciones de agua caliente), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.
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