Investigadores de la Universidad de Calgary, en Canadá, han estudiado el rendimiento termodinámico de una bomba de calor aerotérmica (ASHP) integrada con un colector solar de aire (SAC) para calefacción por piso radiante en climas fríos. El sistema fue simulado en la herramienta de simulación de sistemas transitorios (TRNSYS) bajo las condiciones ambientales de Calgary.
“Las bombas de calor integradas con energía solar y calefacción por piso radiante tienen el potencial de lograr altas eficiencias”, señalaron los académicos. “Sin embargo, el rendimiento del sistema combinado en climas fríos aún no se ha estudiado ampliamente. Además, no se ha investigado a fondo la influencia de la recirculación de aire y la lógica de control asociada en el rendimiento de los SAC acoplados con ASHP”.
Componentes del sistema
El componente principal de calefacción era una ASHP con una capacidad de calefacción nominal de 10.52 kW, que opera entre -25 °C y 35 °C y suministra agua a 45 °C para calefacción por piso radiante. El agua caliente se almacenaba en un tanque de almacenamiento de energía térmica (TES) de 300 L, que mantenía temperaturas de suministro estables e incluía un calentador auxiliar como respaldo durante períodos muy fríos.
Para mejorar el rendimiento de la ASHP en invierno, se utilizó un SAC sin vidrio con una placa absorbente de aluminio pintada de negro para precalentar el aire exterior antes de que ingresara al evaporador de la bomba de calor. Tenía un flujo másico de aire de 1 kg/s y un área que variaba de 16 a 40 m².
Operación y control
El equipo explicó que la bomba de calor entrega calor a un tanque de almacenamiento de energía térmica, donde se almacena la energía cuando la demanda es baja y se libera cuando es necesario. El agua almacenada luego circula a través del sistema de piso radiante del edificio, proporcionando calefacción ambiental mediante transferencia de calor radiante.
También señalaron que, a diferencia de estudios anteriores, el sistema incorpora recirculación de aire desde el evaporador de la bomba de calor. Específicamente, cuando la temperatura del aire de salida supera la temperatura ambiente, el aire se redirige de regreso al SAC; de lo contrario, el aire ambiente se suministra directamente al SAC.
Modelo de edificio y condiciones climáticas
El edificio modelado en el estudio era una casa tipo bungalow independiente de una sola planta con un área de 79.15 m² y diseñada para tres ocupantes. Incluía tres habitaciones, una cocina, una sala de estar y un baño, y se representó como una única zona térmica. El termostato de calefacción se fijó en 22 °C y el de refrigeración en 24 °C, con calefacción por piso radiante como sistema principal de entrega de calor.
Las condiciones climáticas se basaron en un archivo meteorológico de año meteorológico típico (TMY) para Calgary, con 333 días soleados y temperaturas que oscilan entre -25 °C y 33 °C.
Resultados clave
“El acoplamiento de ASHP con SAC mejoró el coeficiente de rendimiento (COP), pasando de un rango de 2-4 a 2-6, particularmente durante el invierno y las horas de luz diurna cuando la radiación solar está disponible”, enfatizaron los académicos. “La integración de un SAC de 40 m² mejoró el COP anual promedio de la ASHP en un 7%, mientras redujo el consumo de energía en 256 kWh anuales cuando el sistema operó con un umbral inferior de temperatura del aire del evaporador de -25 °C”.
Los investigadores destacaron además que el acoplamiento de SAC de mayor tamaño mejora aún más el COP de la ASHP y reduce el consumo de electricidad. Explicaron que aumentar el umbral para la temperatura del aire de entrada al evaporador limita la operación de la ASHP a temperaturas más altas, que generalmente se consideran condiciones favorables, mejorando así su rendimiento general. Sin embargo, este ajuste también reduce la fracción de bomba de calor (HPF) y aumenta la dependencia del sistema del calentador auxiliar, aunque la HPF se mantiene por debajo del 20%.
Además, señalaron que la integración del SAC mejora sustancialmente la eficiencia del sistema, permitiendo una operación efectiva en condiciones climáticas severas de hasta -25 °C, comparable al rendimiento de una ASHP sin SAC que opera en condiciones más suaves alrededor de -15 °C.
“El sistema demuestra la capacidad de mantener las temperaturas interiores dentro del rango deseado durante más del 97% del año”, afirmaron los científicos.
Publicación
El estudio se presentó en “Thermodynamic performance of an air source heat pump integrated with an air-based solar collector for radiant floor-based space heating in cold climates”, publicado en el Journal of Building Engineering.
