Bomba de Calor

FUNCIONAMIENTO, APLICACIONES,

ESTADO DE LA TECNOLOGÍA E INTRODUCCIÓN EN EL MERCADO.

ÍNDICE DE CONTENIDOS.

1.-CONCEPTOS BÁSICOS.

1.1.-INTRODUCCIÓN...............................PÁG. 3 1.2.-CLASIFICACIÓN...............................PÁG. 4 1.3.-FUNCIONAMIENTO...........................PÁG. 6 1.4.-FOCOS...........................................PÁG. 9 1.5.-ELEMENTOS COMPONENTES.............PÁG. 12 1.6.-REFRIGERANTES.............................PÁG. 17 1.7.-COEFICIENTES DE PRESTACIÓN........PÁG. 18

2.-APLICACIONES.

2.1.-SECTOR RESIDENCIAL....................PÁG. 20 2.2.-SECTOR TERCIARIO........................PÁG. 22 2.3.-SECTOR INDUSTRIAL......................PÁG. 24

3.-ESTADO DE LA TECNOLOGÍA.

3.1.-REFRIGERANTES............................PÁG. 27 3.2.-CICLOS.........................................PÁG. 30 3.3.-COMPONENTES..............................PÁG. 31 3.4.-ALGUNOS PROYECTOS DE I+D DESA-RROLLADOS.........................................PÁG. 32

4.-BOMBAS DE CALOR Y MEDIO AMBIENTE.

4.1.- VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES: REDUC-CIÓN DE EMISIONES DE CO2.................PÁG. 34 4.2.-PROBLEMÁTICA RELACIONADA CON REFRI-GERANTES...........................................PÁG. 37

5.-SITUACIÓN DEL MERCADO.

5.1.-OBJETIVOS......................PÁG. 41

5.2.-SITUACION DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR ELÉCTRICA...PÁG. 41

5.3.-SITUACIÓN DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR A GAS..........PÁG. 49

6.-CASOS DE ESTUDIO.

6.1.-PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA Y CLIMATIZACIÓN DE HOTEL CON ENERGÍA SOLAR...............PÁG. 51

6.2.-FERMENTACIÓN DEL PAN...PÁG. 51

6.3.-CLIMATIZACIÓN DEL PALACIO DE JUSTICIA (VITORIA).................PÁG. 52

6.4.-CLIMATIZACIÓN DE UNA PISCINA CUBIERTA...............................PÁG. 53

6.5.-CLIMATIZ. DE OFICINAS....PÁG. 53

6.6.-SECADERO DE MADERA.....PÁG. 54

6.7.-CLIMATIZACIÓN DE RESTARURANTE.......................PÁG. 55

6.8.-RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR PARA LA CONCENTRACIÓN DE ZUMO DE FRUTA......................PÁG. 56

6.9.-APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA MEDIANTE BOMBA DE CALOR EN HOTEL.....................PÁG. 56

6.10.-CLIMATIZACIÓN EN EDIFICIO DE VIVIENDAS.............................PÁG. 57

6.11.-CLIMATIZACIÓN DEL TEATRO REAL......................................PÁG. 57

7.-BIBLIOGRAFÍA.................PÁG. 58

LA BOMBA DE CALOR Calor y Frío Industrial II. 5º ETSII - UNED.

1.- CONCEPTOS BÁSICOS.

1.1.- INTRODUCCIÓN.

El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de forzar el flujo de calor en la dirección contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calefactar, o bien para emplearlo en procesos que precisan calor en la edificación o la industria. Es posible, asímismo, aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.

Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior. En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cubrir una demanda simultánea de calor.

Para transportar calor desde la fuente calorífica al sumidero calorifugado, se requiere aportar un trabajo. Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extraído de la fuente de calor más el trabajo externo aportado.

El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor no es reciente. Sus orígenes provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evolucionaba cíclicamente, era comprimido y posteriormente expansionado, obteniendo frío y calor.

El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y calor simultáneamente no se aprovecharon.

Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la construcción de la Bomba de Calor y por otra al alto precio de este tipo de energía, que hacía que no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefacción a base de carbón, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relación con sus costes. Por ejemplo, en 1965, en Estados Unidos, sólo las Bombas de Calor con un COP superior a 5 conseguían acercarse a los costes del combustible más caro, que en esos años era el gas ciudad. (Luego se hablará del COP).

A finales de los años cincuenta se inició la expansión de la Bomba de Calor en Estados Unidos y su producción en serie, con la siguiente evolución en el número de ventas: 1954 (2.000 unidades), 1957 (10.000 unidades), 1963 (76.000 unidades).

En Europa no se inicia su comercialización hasta 1970. Así, en 1973 se vendieron en Francia 600 Bombas de Calor de tipo doméstico y 7.000 unidades en 1977. En España en 1980, del orden de 2.500 unidades. En 1968 se realizó la primera instalación con Bomba de Calor a gas en Europa, en una pista polideportiva holandesa.

Página 3 de 58 José Manuel Gómez Vega.

La crisis del petróleo y el alza de los precios de los combustibles a partir de 1973, impulsó las investigaciones en nuevos equipos de alta eficiencia, además de cambiar el posicionamiento de los costes de calefacción, situación que benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.



A lo largo de estos años además de los cambios coyunturales que han propiciado el aumento de las ventas, las Bombas de Calor han tenido una evolución positiva desde el punto de vista tecnológico.

En un principio, el desarrollo se centró en equipos reversibles aire-aire. El fin principal de estas bombas era la refrigeración, en consecuencia el diseño estaba orientado a las condiciones del ciclo para obtener frío en verano. Por esta razón existían una serie de defectos de la máquina al funcionar para dar calefacción, que hoy en día se encuentran superados gracias al desarrollo de los compresores y a la introducción de la electrónica para el control de desescarche.

Estos defectos eran:

Fallos del compresor por golpes de líquido, falta de engrase o sobrecarga del motor de accionamiento.

Formación de hielo en el evaporador. Potencia calorífica baja. Costes de explotación superiores a los previstos.

En el momento actual la utilización de Bombas de Calor se justifica, además de por el ahorro energético que suponen, por su contribución a la reducción de las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energía primaria que los medios tradicionales de calefacción. Sin embargo a nadie se le escapa que el efecto sobre el medio ambiente de las Bombas de Calor depende mucho de cómo se genere la energía eléctrica.

Si la energía eléctrica proviene de fuentes como la hidroeléctrica ó eólica, es clara la reducción de las emisiones, pero incluso cuando la electricidad que alimenta las bombas es generada mediante centrales térmicas de combustibles fósiles, se demuestra que la reducción total de emisiones es importante.

1.2.- CLASIFICACIÓN.

Las Bombas de Calor se pueden clasificar según diferentes criterios. A continuación se muestran algunos de los más utilizados.

Según el Tipo de Proceso.

Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un motor eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.

Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de absorción), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas.

Bombas de Calor electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.

En las Bombas de Calor de compresión, la elevación de presión y temperatura entre evaporador y condensador se logra mediante compresión mecánica del vapor. En el ciclo de absorción este efecto se logra mediante un circuito de absorción. Por otra parte la compresión mecánica se puede realizar mediante un compresor accionado por un motor eléctrico en las bombas con motor eléctrico, o bien por un compresor accionado por un motor de combustión de gas, en las Bombas de Calor de motor de gas.


Según el medio de origen y destino de la energía.

Esta clasificación es la más utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente)

Medio del que extrae la energía (Foco Frío)

Medio al que se cede energía (Foco Caliente)

AIRE AIRE

AIRE AGUA

AGUA AIRE

AGUA AGUA

TIERRA AIRE

Según medio de origen y de destino de la energía

TIERRA AGUA

Bombas de calor aire-aire: Son las más utilizadas, principalmente en climatización.

Bombas de calor aire-agua: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.

Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior, debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua a lo largo del año.

Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los emisores son radiadores a baja temperatura, fan-coils o suelo radiante.

Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son instalaciones poco habituales, debido a su coste y a la necesidad de disponer de grandes superficies de terreno.

Según construcción.

Por la forma de construir la máquina, ésta puede ser:

Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de una misma carcasa.

Split o partidas: Están constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el compresor y la válvula de expansión y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior del local.

Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores.



Según funcionamiento.

Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido frigorífico gracias a una válvula de 4 vías.

No reversibles: Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.

Termofrigobombas: Producen simultáneamente frío y calor.

1.3.- FUNCIONAMIENTO.

1.3.1.- Bomba de Calor de Compresión Mecánica.

La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresión de un

fluido condensable. Sus principales componentes son:

-Compresor -Válvula de expansión -Condensador -Evaporador

Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido refrigerante.

FIGURA 1.1 BOMBA DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA ACCIONADA POR MOTOR ELÉCTRICO

El ciclo se desarrolla en las siguientes etapas:

1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de éste.

2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presión y temperatura.

3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio.


4. Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y temperatura del


evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador.

El compresor puede ser accionado por un motor eléctrico o por un motor térmico.

- Bombas de calor eléctricas: En este tipo de bombas el compresor es accionado por un motor eléctrico. (Fig.1.1)

- Bomba de calor con motor térmico: El compresor es accionado mediante un motor de combustión, alimentado con gas o con un combustible líquido. Las más extendidas son las Bombas de Calor con motor de gas. (Fig.1.2)

FIGURA 1.2 BOMBA DE CALOR CON MOTOR DE GAS

Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefacción y refrigeración. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación del fluido frigorífico.

De esta forma:

Se bombea calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefacción. Se bombea calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.

En la figura 1.3 se esquematizan los ciclos de calefacción y refrigeración. El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente:

Ciclo de calefacción:

El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico. (1) En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calefactar, el fluido cede al

aire del recinto el calor de su condensación. (2) El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de

expansión reduciendo su presión y temperatura, evaporándose en parte. (3)


En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporación absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a través de una válvula de cuatro vías. (5)


FIGURA 1.3 CICLOS DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN

Ciclo de refrigeración:

El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico (1) siguiendo su camino a través de la válvula de 4 vías (5).

En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior. (4)

El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y evaporándose en parte. (3)

En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio interior.

1.3.2.- Bomba de Calor de Absorción.


Las Bombas de Calor de absorción son accionadas térmicamente, esto quiere decir que la energía aportada al ciclo es térmica en vez de mecánica como en el caso del ciclo de compresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos más utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinación con bromuro de litio como absorbente, o bien el amoníaco como refrigerante utilizando agua como absorbente.


FIGURA 1.4 BOMBA DE CALOR DE ABSORCIÓN

Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma función que éste, es decir, eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico en estado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en la figura 1.4, consiste en un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión. El vapor a baja presión procedente del evaporador es absorbido por el fluido absorbente en el absorbedor. El proceso de absorción genera calor. La disolución es bombeada a mayor presión accediendo al generador, donde el fluido refrigerante entra en ebullición gracias a un calor que se aporta desde el exterior. El refrigerante es entonces condensado, separándose del absorbedor. El refrigerante pasa a través del condensador mientras que el absorbente es conducido al absorbedor.

Se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el absorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura, y en la bomba energía mecánica.

1.4.- FOCOS.

La Bomba de Calor extrae energía de un medio. Mediante el trabajo externo aportado, esta energía es cedida a otro. El medio del que se extrae la energía se llama foco frío y el medio al que se cede se llama foco caliente. A continuación se analizan algunos medios susceptibles de ser utilizados como focos fríos o calientes para Bombas de Calor.


En el siguiente esquema se presentan algunos focos entre los que se puede bombear calor.


1.4.1.- Focos Fríos

Un foco frío ideal es aquél que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación en que es necesario calefactar, está disponible en abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinámicas favorables, y no requiere costes elevados de inversión o mantenimiento.

En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de las fuentes de calor normalmente utilizadas:


Fuente de calor o foco frío Rango de temperaturas (ºC)

Aire ambiente

Aire de extracción

Agua subterránea

Agua de lagos o ríos

Agua de mar

Suelos

Subsuelo

Aguas residuales y de procesos

-10 / 15

15 / 25

4 / 10

0 / 10

3 / 8

0 / 5

0 / 10

>10


Aire Atmosférico.

Su utilización presenta problemas de formación de escarcha. Este problema se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto adicional de energía. La temperatura debe ser superior a -5ºC para que el COP resulte interesante. Para temperaturas por encima de 5ºC no es necesario el desescarche.

Aire de extracción.

Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales. La Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción. Existen sistemas diseñados para trabajar con una combinación de aire natural y de aire de extracción en función de las necesidades.

Aguas naturales.

Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas o del mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos en el exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC. Cuando se utiliza agua del mar hay que prever problemas de corrosión y de proliferación de algas en la superficie del intercambiador.

Energía solar.

Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, en combinación con la Bomba de Calor.

Energía geotérmica del suelo y subsuelo.

Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire exterior. Para aprovechar la energía del suelo es necesario un sistema de tuberías. Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una gran superficie de terreno.

Energías residuales y procedentes de procesos

Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del año. Los principales problemas para su utilización son: La distancia al usuario, la variabilidad del caudal y en el caso de aguas residuales la corrosión y obstrucción del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas.

1.4.2.- Focos calientes

Aire

El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la habitación por la unidad interior o es forzado a través de un sistema de conductos.



Agua

Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria y procesos industriales. A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores especialmente diseñados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils, que funcionan a temperaturas de 45-55ºC. En la siguiente tabla se presentan las temperaturas de distribución de agua y aire para las diferentes aplicaciones de calefacción:

Aplicación Temperatura de distribución (ºC)

Distribución de aire para calefacción

Distribución de agua para calefacción:

- Calefacción a través del suelo

- Fan-coils

- Radiadores convencionales

Calefacción de distrito:

- Agua caliente

- Agua caliente-vapor

30-50

30-45

45-55

60-90

70-100

100-180

1.5.- ELEMENTOS COMPONENTES.

Para que el fluido refrigerante evolucione según los ciclos anteriormente expuestos son necesarios los elementos que a continuación se explican

1.5.1.- Compresor

Su misión es elevar la presión del vapor refrigerante desde una presión de aspiración a una presión de descarga más alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrífugos. En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser:

Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje.

Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos.

Herméticos: El motor y el compresor, además de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperación del calor generada en el motor es mayor.


En las Bombas de Calor eléctricas se utilizan compresores herméticos para potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente Bombas de Calor aire-agua) se utilizan compresores semiherméticos.


Únicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie.

En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagnético que permite la regulación de la potencia en función de la demanda térmica.

Las Bombas de Calor con motor de gas disponibles actualmente en el mercado suelen disponer de un motor de 4 tiempos que acciona un compresor alternativo abierto.

Alternativos.

Los alternativos húmedos están compuestos por un número variable de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido. Los cilindros se suelen disponer en posición radial. El fluido entra y sale de ellos por válvulas accionadas por la presión diferencial entre ellos. Disponen de un sistema de lubricación mediante aceite a presión.

Este circuito de aceite actúa también como refrigerante. La refrigeración mediante aceite presenta problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior del cilindro.

La presión máxima de aspiración está limitada en estas máquinas a 7 kg/cm2 y consigue presiones a la salida del compresor de 20 kg/cm2 como máximo. Los compresores alternativos se emplean para potencias térmicas generadas entre 0,1 kW y 100 kW.

Los alternativos secos consiguen presiones de salida más elevadas que en los anteriores, ya que la compresión tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor generado en la compresión mediante circuitos de agua en las etapas entre compresiones.

La estanqueidad entre cilindro y pistón se logra mediante segmentos muy resistentes que no requieren refrigeración, a base de materiales como el politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un costo más elevado y desarrollan mayores potencias.

FIGURA 1.5 COMPRESOR ALTERNATIVO

Rotativos.

El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y otro hembra que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el espacio entre ellos primero aumenta, generando una depresión mediante la que se aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no existir contacto entre los rotores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo sí es necesaria una refrigeración auxiliar.


En el caso del compresor de tornillo húmedo se inyecta aceite a presión entre los rotores para conseguir lubricación y refrigeración. Los compresores de tornillo se utilizan en generación de potencias térmicas elevadas a partir de 500 kW.


Los compresores de tornillo se utilizan para grandes potencias, de 100 a 200 kW, y suelen ser semiherméticos.

FIGURA 1.6 COMPRESOR ROTATIVO

Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias térmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se comprime por la variación del volumen causada por una espiral giratoria. Son herméticos y permiten la aspiración y descarga simultánea del refrigerante sin necesidad de una válvula. La reducción de partes móviles mejora el desgaste y en consecuencia la duración de estos equipos.

FIGURA 1.7 COMPRESOR DE ESPIRAL O SCROLL

Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia térmica (hasta 6 kW). Son rotativos herméticos y consiguen la variación del volumen mediante un pistón rodante.

Centrífugos.

Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de presión y se destinan a equipos de gran potencia.



1.5.2.- Condensador

Se pueden clasificar en:

Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire.

Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisión de calor. Adicionalmente estas baterías disponen de ventiladores que inducen la circulación del aire a calentar entre las aletas del condensador.

Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua.

Pueden ser:

Cambiadores de doble tubo en contracorriente: El fluido refrigerante circula por el espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricación de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de potencia térmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por la dificultad de la limpieza.

Multitubulares horizontales: El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero con tapas de fundición. Debido a las características del agua puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de aleación de níquel.

1.5.3.- Evaporador.

Según el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador estos se clasifican en:

De expansión seca: El vapor que se introduce en el compresor está ligeramente sobrecalentado y hay ausencia total de líquido. Estos evaporadores se emplean con compresores centrífugos donde dada la elevada velocidad, la presencia de gotas de líquido dañaría los álabes.

Inundados: El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puede incluso contener gotas de líquido.

Según el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser:


Evaporadores de aire: Las baterías evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos ventiladores pueden ser axiales o centrífugos. Los centrífugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de rocío del aire se produce el fenómeno de la condensación y si se reduce aún más la temperatura el escarchado. El escarchado incide negativamente en los rendimientos por dos motivos: pérdida en la superficie de intercambio, y pérdida de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos. Por esta razón las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo.


FIGURA 1.8 VENTILADOR AXIAL Y VENTILADOR CENTRIFUGO

Evaporadores de agua: Pueden ser coaxiales en contracorriente o bien multitubulares.

1.5.4.- Dispositivos de expansión.

Son los dispositivos mediante los que se realiza la reducción de presión isoentálpica desde la presión de condensación hasta la de evaporación.

Los elementos utilizados son:

Tubo capilar para máquinas de potencia reducida y constante.

Válvula de expansión: Las válvulas de expansión tienen una sección variable. Esta sección puede ser variada automáticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporación se mantenga constante y no accedan gotas de líquido al compresor. En este caso la válvula recibe el nombre de termostática.

FIGURA 1.9 VÁLVULA EXPANSIÓN

1.5.5.- Dispositivos de seguridad y control.

Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se esté trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son:

Presostato de alta presión. Detiene el compresor cuando se alcanza una presión de condensación elevada.

Presostato de baja presión. Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presión de aspiración es demasiado baja.


Presostato de aceite. Detiene el compresor cuando baja la presión del aceite del circuito de refrigeración y lubricación de aceite.


Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la temperatura de descarga es demasiado elevada.

1.5.6.- Dispositivos auxiliares

Válvulas de 4 vías: Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche.

Válvulas solenoides: Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde.

A la salida del condensador y antes de la válvula de expansión se sitúa un depósito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no dañe el compresor.

1.6.- REFRIGERANTES.

Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinámicas de tal manera que condensen y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor temperatura cuando se eleva su presión, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presión y los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas respectivamente.

Por otra parte, los fluidos refrigerantes no deben ser tóxicos, ni inflamables, ni reaccionar con los materiales que constituyen la máquina.

Los fluidos halogenados presentan las mejores propiedades ya que trabajan en las temperaturas y presiones adecuadas para esta aplicación y no son tóxicos ni inflamables. No obstante, pueden contribuir a la destrucción de la capa de ozono. Si al final de su vida útil se liberan en el ambiente, la incidencia de rayos ultravioleta sobre estas sustancias hace que se fotodisocien quedando libres radicales de cloro, que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyéndolo. Por estas razones, la utilización de estos refrigerantes está restringida por ley.

El desarrollo de la tecnología frigorífica y de la Bomba de Calor ha estado siempre ligada a la investigación en el campo de los refrigerantes. En el capitulo 3 se expone la problemática asociada a la utilización de nuevos refrigerantes y las tendencias en este campo.

Actualmente el fluido con el que funcionan la práctica totalidad de las Bombas de Calor en España es el R-22, (HCFC-22) cuya fórmula química es CHClF2. El R-22 únicamente tiene un átomo de cloro y por tanto resulta menos perjudicial para la capa de ozono que los CFC´s.

No obstante, y en virtud del reglamento de la Unión Europea 3093/94, se ha establecido un programa de reducción progresiva de utilización de los HCFC´s, de forma que la producción de R-22 finalizará en el año 2014.

En cuanto a las temperaturas y presiones de funcionamiento en la aplicación de Bomba de Calor del R-22 estas suelen ser:


Temperaturas Presiones (Kg/cm2 abs)

Evaporador Condensador Evaporador Condensador

+25ºC +70ºC 10,5 30,5


1.7.- COEFICIENTES DE PRESTACIÓN.

Se define el coeficiente de prestación de una Bomba de Calor COP (Coefficient of perfomance) como el cociente entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida.

COP teórico.

En un ciclo ideal de Carnot:

Siendo:

T1: Temperatura absoluta del foco caliente. T2: Temperatura absoluta del foco frío.

COP práctico

α es un coeficiente de rendimiento que tiene en cuenta que el ciclo real no se desarrolla en condiciones perfectas de isoentropicidad, (los procesos son irreversibles y no perfectamente adiabáticos). Este coeficiente oscila entre 0,3, en máquinas pequeñas, hasta 0,65 en las de gran potencia.

Tf2 y Tf1 son respectivamente las temperaturas absolutas de evaporación y condensación del fluido refrigerante.

Para que la transmisión de calor entre el fluido refrigerante y un foco frío tenga lugar, es necesario que Tf2 sea inferior a T2. De la misma manera, para que el fluido refrigerante ceda calor al foco caliente, Tf1 debe ser superior a la temperatura del foco caliente T1

El COP práctico depende del coeficiente de rendimiento a y de las temperaturas del foco frío y caliente. En la figura 1.10 se representa esta dependencia.

PER

Se le denomina REP (Rendimiento de Energía Primaria) o PER (Primary Energy Ratio) en terminología anglosajona.


Este coeficiente, justifica la utilización de la Bomba de Calor frente a otras alternativas tradicionales.


FIGURA 1.10 COP PRÁCTICO DE UNA BOMBA DE CALOR.

Bomba de

calor eléctrica

Bomba de calor con motor de

combustión

Bomba de calor de absorción de simple

efecto

Bomba de calor de absorción de doble

efecto

COP 2,5-4 0,8-2 1-1,7 1,8-2,4

PER 0,9-1,4 0,8-2 1-1,7 1,8-2,4

El PER se define como la relación entre la energía térmica y la energía primaria consumida en el proceso.

En la tabla siguiente se muestran los valores habituales del COP y PER de distintas Bombas de Calor trabajando entre 0º y 50º C.

COP medio estacional.


Las condiciones del foco caliente y del frío van variando a lo largo del año, y en consecuencia las temperaturas a las que debe trabajar el fluido también deben variar. Por esta razón es posible que haya que aportar al sistema energías adicionales a la del compresor en los momentos más desfavorables. A la hora de estudiar la viabilidad e interés de una Bomba de Calor en una determinada aplicación es necesario determinar el valor de este coeficiente.


Siendo:

Q1 : Calor total cedido para la calefacción en el periodo considerado en valor absoluto. W : Trabajo realizado por el compresor sobre el fluido en el periodo considerado en valor absoluto. W´ : Resto de energías consumidas en el periodo considerado: pérdidas en el motor eléctrico, aportaciones externas de calor, etc..

Al coeficiente de prestación estacional también se le denomina SPF (Seasonal Perfomance Factor) en terminología anglosajona. Es con este factor con el que se deben de comparar los gastos de funcionamiento de las diferentes alternativas de calefacción.

2.- APLICACIONES.

2.1.- SECTOR RESIDENCIAL.

Climatización de viviendas.

Las Bombas de Calor utilizadas en estas aplicaciones son:

Bombas de calor aire-aire: Es la aplicación más habitual. Se suelen utilizar unidades de baja potencia, que se destinan a la calefacción y refrigeración de viviendas. El equipo está en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae el calor y también con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor. Este será distribuido mediante un red de conductos por todas las habitaciones.

Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una sola unidad. La batería exterior irá en contacto con el ambiente exterior y la unidad interior estará conectada a la red de conductos, que distribuyen el aire por el interior de la vivienda.

Si se utiliza un equipo partido, ambas unidades, la interior y la exterior irán conectadas mediante tuberías aisladas, por las que circulará el refrigerante. La unidad exterior irá colocada en el exterior de la vivienda, por ejemplo en la terraza, jardín, etc. La unidad o unidades interiores pueden ser vistas o bien ir situadas en el falso techo.

Bombas de calor aire-agua: En este caso, la Bomba de Calor extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un circuito de agua a baja temperatura.


Bombas de calor agua-agua: Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada. Como en el caso anterior la distribución se hace mediante sistemas a baja temperatura.


Bombas de calor agua-aire: Requieren también la disponibilidad de una fuente de calor, agua subterránea, superficial, etc. La distribución se calor se realiza mediante una red de conductos a todas las dependencias de la vivienda.

Bombas de calor tierra-agua: Aprovechan la energía solar acumulada en el terreno como fuente de calor. Este calor es extraído por la Bomba de Calor a través de un circuito de agua con glicol, enterrado. La complejidad de la instalación y la necesidad de disponer de una superficie de terreno grande, hacen que la inversión sea elevada, por lo que esta aplicación es más propia de zonas con temperaturas exteriores rigurosas, donde los equipos condensados por aire no son adecuados.

La utilización de la Bomba de Calor para proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria en viviendas, es una aplicación ampliamente difundida en España. La casi totalidad de los equipos existentes en el mercado son reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos: de invierno, proporcionando calefacción y de verano proporcionando refrigeración. Por esta razón las Bombas de Calor están especialmente indicadas para situaciones en las que se prevea demanda de calefacción y refrigeración, ya que con un incremento en el precio del equipo, se pueden cubrir ambas necesidades con el mismo equipo. La gama de potencias comercializada es lo suficientemente amplia como para cubrir las necesidades de cualquier vivienda. En la figura se representa el funcionamiento de ambos ciclos en una Bomba de Calor aire-aire.

FIGURA 2.1 CICLOS DE FRIO Y CALOR DE UNA BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE

En función del tipo de explotación se pueden clasificar en monovalentes y bivalentes. Se denominan monovalentes cuando la Bomba de Calor cubre por ella misma la demanda de calefacción y refrigeración. En la explotación bivalente, la Bomba de Calor por encima de cierta temperatura exterior suministra ella sola las necesidades de calor. Por debajo de esa temperatura, la calefacción es suministrada, bien por una caldera exclusivamente, o bien por la Bomba de Calor y la caldera simultáneamente.



Agua Caliente Sanitaria.

La Bomba de Calor también puede utilizarse para la producción de agua caliente sanitaria. Aquí el agua es el foco caliente o sumidero de calor. En primer lugar el COP estacional en este caso es superior al de la aplicación para climatización, ya que su utilización tiene lugar durante todo el año. En segundo lugar el COP práctico en verano es muy elevado, como consecuencia de las altas temperaturas del aire exterior. Por último dado que el pico de demanda de agua caliente sanitaria tiene lugar a primeras horas de la mañana resulta económica la producción y acumulación de agua caliente sanitaria mediante Bomba de Calor durante la noche acogiéndonos a la tarifa nocturna.

2.2.- SECTOR TERCIARIO.

Climatización.

La climatización de pequeños locales de oficinas, comercios, restaurantes etc., es una aplicación muy habitual en este sector.

Los grandes edificios de oficinas se caracterizan por sus elevadas cargas internas de calor, originadas por la iluminación, equipos ofimáticos y grado de ocupación. Por otra parte sus fachadas suelen tener orientaciones diferentes. Así se presentan simultáneamente zonas en que debido a la insolación y las cargas internas necesitan ser refrigeradas, mientras que otras zonas del edificio demandan calefacción. Algunos tipos de Bombas de Calor pueden producir simultáneamente frío y calor resolviendo esta situación, tanto de una forma centralizada como descentralizada.

Otra solución la ofrece la utilización de Bombas de Calor para transferencia del calor sobrante de unas zonas del edificio a otras con necesidades de calefacción. Es el caso de edificios muy compartimentados. Las Bombas de Calor del tipo agua-aire, están repartidas por los diferentes locales y conectadas entre si mediante un circuito de agua. Las Bombas de Calor situadas en locales con necesidades de calefacción, toman el calor del circuito de agua y lo ceden al aire. En los locales con necesidades de refrigeración las Bombas de Calor evacuan al circuito de agua el calor excedentario. El bucle de agua conserva globalmente una temperatura constante, generalmente entre 20º C y 30º C. Cuando una de las necesidades bien de calor o bien de frío, llegue a ser preponderante, el excedente de la otra producción provoca un calentamiento o un enfriamiento del bucle de agua. Por esta razón se incorpora un dispositivo compensador como por ejemplo una caldera o un dispositivo de enfriamiento, haciendo intervenir uno u otro según la necesidad. El circuito puede ser cerrado o abierto.

Circuito cerrado de agua: Si existe un excedente de calor, este es evacuado mediante una torre de refrigeración, mientras que si el edificio es deficitario en calor, la energía calorífica complementaria la aportará una caldera.

Circuito abierto: Si se dispone de una fuente suplementaria de agua, superficial o subterránea, ésta puede ser utilizada en circuito abierto para aportar o evacuar el calor.


En los sistemas centralizados el frío o calor se producen en un punto del edificio y luego ha de ser transportado a las diferentes dependencias. Para realizar este transporte se utilizan tres sistemas: conductos de aire, tuberías de agua y tuberías de fluído refrigerante.


FIGURA 2.2 SISTEMA CON CONDUCTOS DE AIRE

En los sistemas que utilizan tuberías de agua los elementos terminales más usuales son los fan-coils. Estos sistemas pueden ser clasificados en:

Sistemas a dos tubos: Por uno de ellos circula el agua caliente o fría, según la Bomba de Calor funciona en ciclo de calefacción ó de refrigeración. Por el otro circula el agua de retorno procedente de la unidad terminal.

Sistemas a cuatro tubos: En este caso hay dos tuberías de impulsión, una de agua fría y otra de agua caliente, y otras dos tuberías de retorno.

Por último se puede transportar el frío o calor generado a las distintas zonas, mediante tuberías de fluido refrigerante. Uno de los sistemas utilizados es el sistema de caudal de refrigerante variable (VRV). En estos equipos se varía el caudal de refrigerante impulsado a las unidades interiores en función de las necesidades de cada una de las zonas o dependencias. De esta forma son capaces de incorporar hasta 16 unidades interiores y consiguen la máxima eficiencia energética, ya que únicamente proporcionan la energía requerida en cada momento. El rendimiento energético de este sistema disminuye cuando existe una gran diferencia de altura entre la unidad exterior y las interiores.

FIGURA 2.3 SISTEMA DE CAUDAL DE REFRIGERANTE VARIABLE.

Climatización de piscinas.


En las piscinas climatizadas cubiertas, es necesario recurrir en invierno a un elevado número de renovaciones de aire para evitar un excesivo contenido de humedad en el ambiente, debido a la evaporación del agua del vaso de la piscina, que daría lugar a que se formen condensaciones en los cerramientos. La Bomba de Calor permite reducir el caudal de


ventilación necesario, obteniendo un importante ahorro de energía. El aire húmedo de la piscina es enfriado en el evaporador de la Bomba de Calor. El enfriamiento produce condensación del exceso de humedad acumulada en el aire. El aire frío y seco es calentado en el condensador de la bomba y pasa de nuevo al recinto de la piscina. El excedente de calor en la Bomba de Calor se utiliza para calentar el agua de la piscina. También se utiliza para la calefacción de los locales anexos como vestuarios, duchas, etc.

2.3.- SECTOR INDUSTRIAL.

Una parte importante del consumo energético en la industria se destina a procesos térmicos. Esta demanda térmica se encuentra cubierta mayoritariamente por sistemas convencionales.

Hay procesos que requieren la aportación de calor mientras que otros son excedentarios. Lo habitual en estos casos es que el calor sobrante sea evacuado a la atmósfera mediante torres de refrigeración, con la consiguiente pérdida de energía, mientras que por otro lado siguen existiendo necesidades de calor que se cubren, por ejemplo, con la utilización de calderas.

En estas situaciones las Bombas de Calor proporcionan una gran oportunidad para ahorrar energía, y son una alternativa interesante debido a su doble efecto, de enfriamiento en el evaporador y de calentamiento en el condensador.

La Bomba de Calor permite revalorizar energías térmicas degradadas. Parte de efluentes térmicos no utilizables, y eleva el nivel de la energía térmica contenida en los mismos, en sustitución de calentamientos por sistemas tradicionales.

Para aplicar la Bomba de Calor a la industria se deben analizar los procesos, con el fin de caracterizar los flujos de calor e identificar las oportunidades de recuperación, evaluando su viabilidad tanto desde el punto de vista energético como económico.

Las líneas de fluidos con calor residual más comunes en la industria son las procedentes de aguas de refrigeración, efluentes o condensados. El problema que presentan estas fuentes es que su caudal fluctúa. Por esta razón y para aprovechar este calor residual son necesarios acumuladores de gran capacidad para conseguir una operación estable de la Bomba de Calor.

Tipos de Bomba de Calor para aplicaciones industriales.

Los principales tipos son:

Bombas de calor en ciclo de compresión cerrado:

La temperatura máxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales está en torno a los 120º C. Este es el tipo de bombas más extendido en la industria.

Sistemas de recompresión mecánica del vapor (MVR):

En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un ciclo abierto. Se clasifican en sistemas abiertos y semiabiertos.


En un sistema abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido. Al elevar su presión se eleva su temperatura, y condensado en el mismo proceso cede su calor.


En los sistemas semiabiertos, el calor del vapor recomprimido es cedido al proceso mediante un cambiador de calor. Se eliminan uno (semiabierto) o dos (abierto) cambiadores de calor (evaporador y/o condensador) y el salto de temperaturas conseguido con la bomba es pequeño por esta razón. La eficacia de utilización es elevada y se obtienen COPs de 10 a 30. Los sistemas actuales MVR trabajan con temperaturas de foco frío de 70 a 80º C y ceden el calor a temperaturas entre 110 y 150º C. En algunos casos pueden llegar a los 200º C. El agua es el fluido de trabajo más usual, aunque también se pueden utilizar otros vapores de procesos. Bombas de calor de absorción de simple efecto:

En Suecia y Dinamarca se han utilizado para recuperar calor de incineradoras de residuos. Los sistemas actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de salida de 100ºC y un salto térmico de hasta 65º C, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. La nueva generación de Bombas de Calor de absorción avanzadas alcanzarán temperaturas de salida de 260º C y saltos térmicos superiores a los mencionados. Bombas de calor de absorción de doble efecto:

También se las denomina transformadores de calor. Se aplican a fluidos que tienen un calor residual y una temperatura intermedia por encima de la del ambiente, pero por debajo de la utilizable. Mediante el evaporador y el generador el fluido alcanza una temperatura adecuada para su utilización. En el absorbedor se cede el calor al proceso. Todos los sistemas de este tipo en la actualidad, utilizan bromuro de litio y agua como fluidos refrigerantes. Estos transformadores pueden alcanzar temperaturas de hasta 150º C, con un salto de temperatura de 50º C. Los COP«s en estas condiciones están comprendidos entre 0,45 y 0,48. Ciclo de Bryton inverso:

Con este ciclo se recuperan las sustancias disueltas en gases en varios procesos. El aire saturado se comprime y expande. El aire se enfría en la expansión, y las sustancias disueltas se condensan y son recuperadas. La expansión tiene lugar en una turbina que acciona un compresor. Aplicaciones. La principal justificación de la utilización de la Bomba de Calor en la industria es la recuperación de calor. La Bomba de Calor hace utilizables flujos de calor, que de otro modo serían disipados sin aprovechamiento. El calor obtenido en el condensador de la Bomba de Calor puede ser utilizado entre otras aplicaciones para: -Calefacción, climatización y agua caliente sanitaria: Estas aplicaciones son similares a las estudiadas en los sectores residencial y terciario. Suministran agua por ejemplo a fan-coils, para la calefacción de locales y naves.

-Calentamiento de agua: En la industria se presentan en muchas ocasiones, necesidades simultáneas de agua fría y caliente, en el rango de temperaturas de 40º C a 90º C, para lavandería, limpieza y desinfección. Esta demanda puede ser cubierta por Bombas de Calor. Las bombas instaladas en este campo son principalmente de compresión con motor eléctrico. -Secado de productos: Las Bombas de Calor se usan extensivamente en la deshumidificación industrial y secado a temperaturas bajas y moderadas. Esta es una aplicación muy desarrollada en España. Para secar un producto se utiliza la propiedad que tiene el aire para cargarse de humedad. La cantidad de humedad absorbida por el aire es mayor, cuanto más alta sea la temperatura. El proceso consiste en impulsar al local aire caliente y seco, que robará humedad al producto a secar. Posteriormente este aire húmedo pasa por el evaporador de la Bomba de Calor, en el que se enfría y deshumidifica. La Bomba de Calor está especialmente indicada para aquellos procesos que requieren un secado lento y sensible a altas temperaturas.



Algunos ejemplos son:

a) Secado y curado de embutidos: En el caso del secado y curado de embutidos el proceso se realiza en dos fases: ♦ Estufaje: Con una duración de entre 30 y 75 horas. Primero se busca una desecación

inicial rápida con aire seco a unos 28ºC. Después se baja la temperatura a 22-24ºC y se incrementa la humedad relativa. Curado: Con una duración en torno a 20 días se mantienen temperaturas bajas de 12 a 15º C con humedades relativas en torno al 75 %.

♦

b) Secado de tabaco: En la figura se observa el esquema del proceso de secado de tabaco.

FIGURA 2.4. PROCESO DEL SECADO TABACO.

c) Secado de lodos de plantas depuradoras de aguas residuales: También se utilizan en el secado de lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales, como se observa en la figura, que corresponde a un esquema de principio de un túnel de deshidratación de lodos mediante Bomba de Calor. Otros ejemplos de aplicaciones de secado, con su rango de temperaturas, son: secado de cuero y pieles, secado de ladrillos, secado de maderas, secado de la malta de cerveza, secado de lana y fibras textiles. -Destilación y obtención de concentrados: Aún a pesar de que la evaporación y la destilación son procesos intensivos de energía, la Bomba de Calor se utiliza con este fin en la industria química y alimentaria. En la destilación se está produciendo una evaporación que requiere calor y una condensación donde sobra calor. La Bomba de Calor puede funcionar cediendo calor en su condensador y absorbiéndolo en el evaporador. En los procesos de concentración se aplican sistemas MVR abiertos o semiabiertos, aunque también se utilizan bombas de ciclo de compresión. La utilización es muy efectiva con COP's entre 6 y 30, cuando son necesarios pequeños saltos de temperatura. Una aplicación es la concentración en la industria alimentaria (lácteos, zumos...). -Calefacción de invernaderos: En los invernaderos las plantas absorben humedad y nutrientes por sus raíces, devolviendo parte de la humedad al aire ambiente a través de las hojas, aumentando los niveles de humedad dentro del invernadero. La Bomba de Calor permite reducir el nivel de humedad dentro del invernadero, sin desperdiciar el calor.



-Calentamiento y enfriamiento de agua en Piscifactorías: En las piscifactorías es necesaria la producción de agua caliente y fría de forma simultánea, pues las condiciones de temperatura requeridas para la cría y engorde son distintas a las necesidades para la fecundación de huevos y el crecimiento de los alevines. El principal inconveniente es que normalmente la demanda de frío y calor no coincide. En la figura se muestra un esquema de esta aplicación.

-Fermentación del pan: En este procesos los azúcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y anhídrido carbónico. Este proceso debe desarrollarse a una temperatura en el entorno de los 22/30ºC. Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadería obligan a calentar en invierno y refrigerar en verano si no queremos tener desviaciones importantes con respecto a las temperaturas citadas. Las bombas utilizadas en esta aplicación son de compresión mecánica aire-aire reversibles. En la figura se presenta un esquema de utilización de la Bomba de Calor en este proceso. Otras sectores industriales donde la Bomba de Calor es de aplicación son:

• Sector vinícola: Enfriamiento del vino y producción de agua caliente para el lavado de botellas.

• Industria textil: Calefacción de los baños de tinte. • Industrias del papel y de la pulpa de madera: proceso de evaporación, calefacción y

secado. • Industrias plásticas: Diversos procesos como refrigeración de las cabezas de

extrusión e inyección, con recuperación del calor para la calefacción de locales. • Industria del caucho: Calefacción de las soluciones de separación. • Sector Lácteo: Pasteurización de los productos lácteos, evaporación, concentración y

esterilización, y procesos de limpieza. • Industria alimentaria: Procesos de cocción en el sector de conservas, charcuterías,

azucareras, etc. • Industrias siderometalúrgicas: Desengrase, lavado, galvanizado, preparación de

pinturas y secado. • Industria cerámica: Secado.

3.-ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA.

3.1.- REFRIGERANTES.

La evolución de la Bomba de Calor en los próximos años dependerá en gran medida de la evolución de los fluidos refrigerantes. Los refrigerantes organoclorados, alrededor de los cuales se habían desarrollado todos los componentes de las Bombas de Calor, están condenados a desaparecer debido a su efecto pernicioso sobre la capa de ozono y el efecto invernadero. Para que la Bomba de Calor continúe siendo una alternativa atractiva desde el punto de vista del ahorro energético, la sustitución de los refrigerantes por otros debe mantener o superar las eficiencias de los ciclos. Se presentan a continuación las diversas alternativas para la sustitución planteando ventajas e inconvenientes.

3.1.1.- HCFC's


El primer paso para evitar la destrucción de la capa de ozono fue la sustitución de los fluoro carbonados con dos átomos de cloro (CFC) por fluorocarbonados con un átomo de cloro y otro de hidrógeno (HCFC). Estos refrigerantes contribuyen en menor medida a la destrucción de la capa de ozono por su mayor estabilidad, pero influyen en el calentamiento global en mayor medida que éstos. Sin embargo en la última revisión del protocolo de Montreal los HCFC fueron también incluidos en la lista de sustancias controladas, y se decidió su parada de fabricación en el año 2020 con la completa desaparición en el año 2030. Alemania ha acelerado la desaparición del R-22 debiendo completarse ésta a comienzos del siglo XXI. Estados Unidos está considerando tomar medidas de este tipo.


El R-22 es una solución intermedia y se usa para remplazar el R-12, R-500 y R-502 en algunas aplicaciones. Para reemplazar el R-114 en procesos industriales a alta temperatura se recurre la los siguientes HCFC's: R-124, R-123 y R-141b.

3.1.2.- HCF'S

Los HFC's son fluidos refrigerantes sin cloro, y por tanto sin efecto sobre la reducción de la capa de ozono, pero algunos de ellos tienen un efecto importante sobre el efecto invernadero. Se utilizan en la Bomba de Calor el R-134a, R-152a, R-32, R-125 y R-143a.

El R-134a es bastante similar al R-12 en lo que se refiere a sus propiedades termodinámicas, y se contempla como un buen sustituto de este, tanto para la fabricación de nuevas bombas como para el llenado de circuitos de bombas existentes. Con la sustitución de refrigerante se pierde eficacia pero el COP no se reduce significativamente. Además el R-134a debe ser utilizado con lubricantes de poliol-ester debido a que es muy higroscópico. Además cuando se utilice para llenar circuitos existentes se deben extremar las precauciones en la limpieza de los mismos.

El R-152a se emplea principalmente en mezclas. Se puede utilizar sólo en pequeñas bombas con poca carga de refrigerante debido a su inflamabilidad.

El R-32 sería un buen sustituto del R-22. No contribuye al efecto invernadero, pero es inflamable, por esta razón sólo se utiliza mezclado en la actualidad.

El R-125 y el R-143 tienen propiedades bastante similares a las del R-502 y R-22. Son principalmente utilizados como componentes en mezclas ternarias reemplazando al R-502 y al R-22. Sin embargo su acción sobre el efecto invernadero parece ser tres veces superior al del R-143a

El R-227 es una alternativa al R-114, mientras que el R-254ca y R-356 son considerados como sustitutos para el R-11 en enfriadoras y del R-114 en Bombas de Calor de alta temperatura.

3.1.3.- Mezclas

Las mezclas constituyen una importante posibilidad para la sustitución de los CFC's, tanto para su utilización en Bombas de Calor nuevas como en las ya existentes. Una mezcla está constituida por dos o más fluidos refrigerantes y puede ser:

Zeotrópica Azeotrópica Cuasi-zeotrópica

Las mezclas azeotrópicas evaporan y condensan a temperatura constante, mientras que las otras lo hacen en un rango de temperatura (deslizamiento). El deslizamiento puede ser utilizado para mejorar la eficiencia pero requiere la modificación del equipo. La ventaja de las mezclas es que pueden variar sus propiedades en función de las necesidades de cada aplicación variando la proporción entre los componentes. Las mezclas no azeotrópicas presentan problemas por diferente volatilidad de sus componentes. En caso de fugas no se puede saber que cantidad de cada uno de los refrigerantes que componen la mezcla se ha perdido por lo que es necesario llenar el circuito de nuevo con la carga total de refrigerante.


En la actualidad ya están disponibles en el mercado mezclas para reemplazar el R-12 y el R-502. Todas ellas contienen R-22 o algún otro HCFC como el R-124 o el R-142b, y por tanto se consideran como fluidos de transición. La nueva generación de mezclas para reemplazar


al R-502 y R-22 no tienen cloro y están hechas principalmente de HFC's e hidrocarburos. Cabe destacar:

R-407-c: Con un 40% de R-134-a requiere poliolester aunque con un polivinilester es menos higroscópico y resiste mejor el cloro residual en el llenado de circuitos existentes. Es una mezcla de tres componentes y no es azeotrópica. Presenta 7 grados de deslizamiento, lo cual es aprovechable en el ciclo de frío pero no es adecuado para su funcionamiento en ciclo de calefacción.

R-410: No lleva R-134-a y por lo tanto no es demasiado higroscópica. No es azeotrópico. El problema que plantea es que trabaja al doble de presión en el condensador que el R-22 lo cual implica la necesidad de compresores más robustos y una hermeticidad superior en el circuito. Por esta razón no sirve para rellenar circuitos existentes. Con un nuevo diseño de la bomba puede dar eficiencias altas.

3.1.4.- Fluidos de trabajo naturales.

Los fluidos de trabajo naturales son sustancias que existen en la biosfera de una forma natural. Generalmente tienen muy pocos inconvenientes en relación al medio ambiente (los potenciales de destrucción de la capa de ozono y de calentamiento global son cero o aproximados a cero). Son, por lo tanto, alternativas a largo plazo a los CFCs. Ejemplos de fluidos de trabajo naturales son el amoniaco (NH3), hidrocarburos (ej. propano), dióxido de carbono (CO2), aire y agua. Algunos de los fluidos de trabajo naturales son inflamables o tóxicos. Las implicaciones de seguridad del uso de dichos fluidos pueden requerir el diseño de un sistema específico y unas rutinas de operación y mantenimiento adecuadas.

- El amoniaco (NH3) es en muchos países el fluido de trabajo principal en refrigeración media y alta y en plantas de almacenamiento en frío. Han sido desarrollados códigos, regulaciones y leyes principalmente para tratar con las características tóxicas, y de alguna manera con las características inflamables del amoniaco. Termodinámica y económicamente, el amoniaco es una alternativa excelente a los CFC's y al R-22 en los nuevos equipos de Bombas de Calor. Hasta ahora, únicamente ha sido empleado en grandes sistemas de Bombas de Calor. Con compresores de alta presión muy desarrollados han alcanzado la máxima temperaturas de condensación entre 58º y 78ºC.

El amoniaco podría ser también considerado en sistemas pequeños, mayoritarios en el mercado de las Bombas de Calor. En sistemas pequeños, los aspectos de seguridad pueden ser tratados usando equipos con baja carga de fluido de trabajo y medidas tales como sistemas de distribución indirecta (con salmuera), alojamientos o revestimientos a prueba de gas, y ventilación a prueba de fallos. El cobre no es compatible con el amoniaco, con lo que todos los componentes deben ser de acero.

El amoniaco no se usa todavía en Bombas de Calor industriales de alta temperatura, pues normalmente no hay compresores adecuados de alta presión disponibles (40 bares máximo). Si se desarrollan compresores eficientes de alta presión, el amoniaco será un excelente fluido de trabajo a alta temperatura.

- Los hidrocarburos (HC's) son fluidos de trabajo inflamables, con propiedades termodinámicas conocidas y compatibilidad de material. Están formados por propano, butano y sus mezclas. Son utilizados en gran medida en la industria del petróleo, esporádicamente aplicados en la refrigeración del transporte, refrigeradores/congeladores domésticos, y Bombas de Calor recientes (Alemania).


Debido a su alta inflamabilidad, los hidrocarburos únicamente deberían ser utilizados para llenado de circuitos existentes o aplicados en sistemas con baja carga de fluido de trabajo. Para garantizar la seguridad necesaria durante la operación y el servicio, deberían tomarse


precauciones como sistemas de ventilación a prueba de fallos, adición de gas odorizante al fluido de trabajo, uso de detectores de gas etc.

- El agua es un excelente fluido de trabajo para las Bombas de Calor industriales de alta temperatura debido a sus propiedades termodinámicas favorables y al hecho de que no es ni inflamable ni tóxico. El agua ha sido usada principalmente como fluido de trabajo en sistemas MVR abiertos y semi-abiertos, pero también existen algunas Bombas de Calor de ciclo de compresión cerrado que usan agua como fluido de trabajo. Las temperaturas de operación típicas están en el rango de 800C a 1500C. La temperatura de 3000C se alcanzó en una planta piloto en Japón. Hay un creciente interés en utilizar el agua como fluido de trabajo, especialmente para aplicaciones de alta temperatura. La mayor desventaja del agua como fluido de trabajo es su baja capacidad de calor volumétrico. Esto hace que se requieran compresores grandes y caros, especialmente a bajas temperaturas.

Número ASHRAE

Composición(en peso)

Efecto destrucción

capa de Ozono

Influencia en efecto

invernaderoDesliza-miento

Punto de ebullición

normal

Capacidad de

enfriamiento (-5/+45ºC)

Nombre comercial Observaciones

R-22 CHCLF2 0,05 0,35 0 K -40,8 100% HCFC

R-407c R32 : 23%

R-125 : 25% R134a :52%

0 0,29 5 -7 K -43,6 / -36, 8 97%

SUVA9000 KLEA66

AZ20 Zeotrópico

R-410a R32 / R125 0 0,41 casi 0 K -50,5 141% AZ20 Cuasi-

azeotrópico

R-410b R-32: 45% R-125: 55% 0 0,41 casi

0 K -51,3 / -51,2 137% SUVA9100 Cuasi-

azeotrópico

R-507 R 125: 50% R 143a:50% 0 0,98 0 K -46,7 96% AZ50 Azeotrópico

R-717 NH3 0 0 0 K -33,6 112% Amoniaco Inflamable y tóxico

3.2.- CICLOS.

Los desarrollos recientes en los ciclos de compresión tradicional se encuentran relacionados con el uso de nuevos refrigerantes. Los ciclos y sistemas son optimizados termodinámica y termofísicamente para adaptarse a su comportamiento.

La utilización de códigos de simulación de comportamiento de refrigerantes es una herramienta muy útil para la optimización de los mismos. Un ejemplo de estos códigos es el NIST desarrollado a partir de una base de datos (REFPRO) que incluye todas las propiedades de los fluidos refrigerantes.

Los sistemas de mezclas zeotrópicas requieren una atención especial ya que, ofrecen la posibilidad de mejoras en la eficiencia, pero pueden plantear muchos problemas; con un diseño inadecuado, se pueden presentar cambios en la composición de la mezcla si el sistema tiene componentes con volúmenes inactivos donde el refrigerante líquido se puede acumular.

Una de las pérdidas tradicionales en el ciclo real tiene lugar en la expansión. Para reducir esta pérdida se están realizando investigaciones sustituyendo las válvulas de expansión tradicionales por dispositivos de expansión de Lysholm de tornillo. Para aplicaciones en las que el fluido refrigerante presenta un gran intervalo de deslizamiento en el sumidero de calor es posible diseñar sistemas con una gran eficiencia ajustando el ciclo a este cambio de temperatura.


Para superar los problemas planteados por los refrigerantes organoclorados se están realizando esfuerzos importantes en la investigación de ciclos distintos de los tradicionales.


Ciclos de aire: Se utilizan en la actualidad en aplicaciones especiales como el acondicionamiento de aviones.

Ciclos de absorción: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos - Ciclos de absorción: Son objetivo de numerosas investigaciones en sus dos modalidades, simple efecto y doble efecto. Como consecuencia de estos esfuerzos investigadores los coeficientes de prestación se han incrementado considerablemente.

Ciclos de cascada: Con combinación de varios ciclos se consiguen mayores temperaturas en el condensador.

Ciclo de Stirling: Utilizado para grandes saltos de temperatura. Existen algunas realizaciones experimentales para aplicaciones convencionales.

3.3.- COMPONENTES.

3.3.1.- Compresores.

En el compresor de tornillo y en el scroll, así como en otros diseños de compresores rotativos existen posibilidades de integrar a media presión una entrada de tal manera que se mejora la eficiencia del ciclo reduciendo pérdidas. La investigación en el campo de los compresores está orientada al incremento de la eficiencia buscando isoentropicidad, reducción de ruido y vibraciones y mejora del engrase. La fiabilidad es otro objetivo en estos desarrollos. Algunos de los nuevos refrigerantes exigen presiones elevadas en la condensación (R-32, R-410a y especialmente CO2). Esto se traducirá en una reducción de las dimensiones de los compresores y de los circuitos de tuberías, ya que los volúmenes son inversamente proporcionales a las presiones.

3.3.2.- Intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor son componentes importantes en la eficiencia de las Bombas de Calor. Pequeñas diferencias de temperatura son decisivas para la eficiencia energética de un sistema.

Existen interesantes desarrollos de cambiadores en los últimos tiempos. Estos desarrollos están relacionados con el incremento de transferencia de calor en evaporador y condensador utilizando superficies de microestructura. Sin embargo las microestructuras plantean problemas de ensuciamiento por aceite.

Otro desarrollo es el intercambiador de aletas soldadas, que permite una disminución considerable de la carga de refrigerante. Este tipo de cambiadores ha hecho también posible la utilización de refrigerantes que requieren altas presiones en el condensador.

Las investigaciones en cambiadores están también orientadas a mejorar el intercambio que se ve afectado por los lubricantes que requieren los nuevos refrigerantes. Obviamente, los nuevos refrigerantes también afectarán al diseño de los cambiadores; los fluidos de moléculas más ligeras sufren menor pérdida de carga y operarán mejor con tubos largos que refrigerantes más pesados como el R-12.

3.3.3.- Controles.

El control de la Bomba de Calor está influenciado por el desarrollo de la electrónica. El control de operación de las Bombas de Calor se realiza cada vez en mayor medida mediante programación gracias a la introducción de los microprocesadores en los esquemas de control. Esto permite que la Bomba de Calor opere satisfactoriamente en diversos modos:

Refrigeración


Calefacción


Calefacción con fuente de calor de apoyo Con acumulación de calor en agua Desescarchando

Los microprocesadores hacen posible la autoadaptación de las máquinas a las distintas condiciones.

Con el control por microprocesador es también posible controlar el ciclo, reemplazando la tradicional válvula termostática o variando la velocidad del compresor mediante los denominados "inverters". También se puede actuar mediante la variación de la velocidad de los ventiladores.

El control mediante microprocesador puede tener también efectos sobre el mantenimiento. Es posible mediante la incorporación de una tarjeta inteligente que registra las condiciones de funcionamiento, el ajuste de los parámetros a las nuevas condiciones o incluso el mantenimiento a distancia.

3.4.- PROYECTOS DE I+D REALIZADOS POR MIEMBROS DEL ENEBC.

Varias entidades españolas participan en proyectos de investigación de carácter internacional. A continuación se exponen tres proyectos que cuentan con la participación de miembros del ENEBC (Equipo Nacional Español de la Bomba de Calor).

Proyecto HEAHP

El proyecto HEAHP (High Efficiency Air to Water Heat Pump) pretende adaptar una Bomba de Calor aire-agua reversible por compresión eléctrica, que emplea R22 como refrigerante, a una nueva unidad que utilice propano en su lugar. Se está desarrollando un equipo de elevada eficiencia destinado a aplicaciones comerciales (20 kW térmicos) en el sur de Europa, modificando los elementos componentes de la Bomba (intercambiador de placas, batería de aire, compresor, válvula de expansión y diseño) para adaptarlos al nuevo refrigerante natural.

Se trata de un proyecto JOULE II cofinanciado por la DG XII de la Comisión Europea, (JOR3-CT97-0077), que cuenta con un presupuesto cercano a los 270 millones de pesetas. En él participan grandes empresas industriales como CIATESA (España) y AL-ARTEC (Italia), Universidades como la ETSI INDUSTRIALES de Valencia (España) y la KTH de Suecia y entidades de investigación como el ENEA en Italia o AEDIE (Asociación para la Diagnosis e Investigación de la Energía, España) que actúa además como coordinador del proyecto. Tiene una duración de dos años y actualmente se encuentra en su última fase de desarrollo (Fecha prevista fin del proyecto Mayo 2.000).

La utilización de propano como refrigerante ha mostrado características similares al R22 e incluso en ciertas condiciones mejores. El propano es un refrigerante natural que evita los efectos perniciosos sobre el medioambiente (efecto invernadero o reducción de la capa de ozono). Su carácter inflamable ha obligado sin embargo, a tomar algunas medidas de seguridad adicionales que garantizan de forma completa su comportamiento controlado. Este refrigerante, que ya ha sido utilizado con plenas garantías en aplicaciones de inferior potencia en el norte y centro Europa (fundamentalmente Gran Bretaña, Dinamarca y Alemania), pretende ser empleado para mayores capacidades (alrededor de 20 kW térmicos), manteniendo los mismos parámetros de seguridad y rendimiento.


A falta de los últimos resultados, parece posible alcanzar mejoras de un 15 % en valor de COP sobre los valores dados por el R-22. En este caso es previsible su comercialización una vez pasados los controles de certificación oportunos.


Proyecto ROTEX.

El ROTEX es un sistema innovador de aire acondicionado, calefacción y agua caliente sanitaria que funciona con un ciclo de absorción de doble efecto en el que se utiliza gas natural como combustible.

El origen del nombre Rotex viene del carácter rotativo del sistema, característica que permite intensificar el proceso de absorción debido al campo gravitatorio de alta intensidad generado por la fuerza centrífuga.

El refrigerante principal es agua, por lo que no se utiliza ninguno de los organoclorados que serán restringidos en futuro próximo, y sobre todo, su rendimiento en función de la energía primaria consumida es superior a los aparatos eléctricos de aire acondicionado que se comercializan en la actualidad.

El núcleo equivalente al compresor es un conjunto compacto que integra el generador, condensador, evaporado y el absorbedor que ha sido diseñado y desarrollado durante los últimos años en Inglaterra dentro de un programa Eureka, en el que han participado: British Gas, Caradon, Gas Natural, Lennox Industries, Fagor e Ikerlan.

Se están construyendo 9 prototipos que serán probados en diferentes localidades europeas. Se prevée su orientación tanto al sector residencial como al comercial.

FIGURA 3.1. PROYECTO ROTEX

Proyecto TECLA.

La Universidad Rovira y Virgili de Tarragona y Gas Natural, ambos miembros del Equipo Nacional de la Bomba de Calor, han participado junto con el École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Génie Chimique de Toulouse (Francia) e Italgas en el proyecto TECLA.

En este proyecto se desarrolla un nuevo ciclo de absorción de doble efecto que incluye una etapa de compresión de la fase de vapor con el objeto de conseguir COP's superiores a 1 en el modo de refrigeración.

Se realizó un prototipo de pequeña potencia que funcionó con este principio utilizando metanol como refrigerante y PEGDM como absorbente.

Dentro de este mismo proyecto se desarrolló junto con la empresa holandesa Colibrí bv, una Bomba de Calor de absorción con el ciclo amoniaco/agua. Uno de los equipos construidos (250 kWf), se encuentra instalado en un edificio gubernamental en Maastricht, utilizando aqua de río como fuente de calor a baja temperatura.



4.- BOMBA DE CALOR Y MEDIO AMBIENTE.

4.1.- VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES: REDUCCIÓN DE LAS EMISIONES DE CO2.

4.1.1.- Introducción.

La radiación solar que alcanza la superficie terrestre es parcialmente absorbida por ella, parcialmente reflejada y parcialmente rerradiada. Es decir emitida de nuevo por la propia superficie, pero con longitudes de onda mayores que las de las radiaciones incidentes.

La superficie de la Tierra se convierte, en un emisor de radiaciones que deben atravesar la atmósfera en sentido contrario al de las radiaciones incidentes. En su camino hacia el espacio atraviesan primero la troposfera, donde se encuentran con una serie de gases que absorben gran cantidad de ellas, y después la estratosfera donde el ozono absorbe otra parte de la radiación infrarroja emitida.

La radiación proveniente del sol que alcanza la superficie terrestre eleva la temperatura de ésta, mientras que la radiación rerradiada que escapa de la atmósfera enfría la Tierra. La temperatura media de la superficie terrestre es el resultado de un equilibrio entre las ganancias y las pérdidas de energía en forma de radiación. Cuanta más radiación rerradiada sea retenida por la atmósfera, más elevada será la temperatura superficial de la Tierra. Es el mismo efecto de captación que tiene lugar en un invernadero de plantas. Los gases que provocan el efecto invernadero, al absorber la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre son el CO2, el vapor de agua, el ozono, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y los derivados halogenados de los hidrocarburos saturados. Así el CO2 es el principal responsable del efecto invernadero intensificado. Su producción se debe esencialmente a los procesos de combustión, a la respiración de los seres vivos y a la putrefacción de los tejidos orgánicos muertos. Hay que distinguir entre efecto invernadero natural y efecto invernadero intensificado, causado por el hombre.

Durante siglos la actividad humana no tuvo ningún efecto medible sobre la composición media de la atmósfera A partir de las segunda guerra mundial, la combustión de ingentes cantidades de petróleo, y la desforestación incontrolada han dado lugar a la elevación de la concentración media del CO2.

En los años 80 los científicos que modelan el cambio climático alertaron de las consecuencias del aumento de temperaturas en la Tierra, de no haber un esfuerzo por reducir las emisiones de gases de invernadero, consecuencia de las actividades humanas.

Dado que una gran cantidad de las emisiones de CO2, se puede atribuir a la producción y utilización de la energía eléctrica, el uso de tecnologías eficientes como la Bomba de Calor contribuirá a su disminución.

4.1.2.- Estudio comparativo.

Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relación con el medio ambiente, si las comparamos con otros equipos de calefacción convencional Internacional de la Energía (AIE), analizando el impacto medioambiental de las cinco opciones siguientes:

Caldera convencional de gasóleo Caldera convencional de gas


Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida en plantas de generación eléctrica convencional


Bomba de Calor a gas Bomba de Calor eléctrica, con electricidad obtenida a partir de energías renovables

Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia energética de estos equipos y del tipo de combustible empleado. En las Bombas de Calor eléctricas, la electricidad empleada para accionarlas, lleva implícita la emisión de CO2 en origen, es decir en las centrales de generación eléctrica, además de las pérdidas de transporte y distribución de la energía eléctrica.

En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor eléctrica como la de gas, emiten considerablemente menos CO2 que las calderas. Una Bomba de Calor eléctrica que funcione con electricidad procedente de fuentes de energías renovables no desprende CO2.

FIGURA 4.1 EMISIÓN RELATIVA DE CO2 DE DIFERENTES SISTEMAS DE CALEFACCIÓN

En conclusión, las Bombas de Calor ofrecen una evidente ventaja sobre los equipos de calefacción convencionales, en cuanto a reducción de emisiones de CO2.

4.1.3.- Emisiones de CO2 evitadas.

En el estudio antes citado, las emisiones de CO2 evitadas en 1997, por el parque mundial de Bombas de Calor, han sido estimadas en un 0,5 % de las totales del globo, repartidas así:

64 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial 54 millones de toneladas de CO2 en el sector comercial e industrial

Sin embargo, el potencial actual que tienen las Bombas de Calor para reducir las emisiones de CO2 del globo es muy superior a este 0,5%. Se estima en un 6%, lo que equivaldría a una reducción de 1.200 millones de toneladas de CO2 al año, repartidas así:

1.000 millones de toneladas de CO2 en el sector residencial y comercial. 200 millones de toneladas de CO2 en el sector industrial.

Este potencial de reducción de emisiones de CO2 es uno de los mayores que puede ofrecer una única tecnología, con la ventaja de que se trata de una tecnología que ya está disponible en el mercado.

4.1.4.- Perspectivas futuras.


El actual potencial de reducción de emisiones de CO2 por Bomba de Calor, estimado en un 6%, podría llegar en un futuro próximo hasta el 16%, según la Agencia Internacional de la Energía. Se haría realidad, gracias a los desarrollos de la tecnología, que permitirían que las


Bombas de Calor y las centrales de producción de energía eléctrica obtuvieran un rendimiento superior, y también por el incremento de la energía eléctrica obtenida a partir de energías renovables.

FIGURA 4.2 POTENCIAL DE EMISIONES DE CO2 EVITADAS POR BOMBA DE CALOR

Hoy día los COP medios de las Bombas de Calor están entre el 2,5 y el 4. Para la próxima década se prevén nuevas mejoras que los incrementen. En consecuencia, las Bombas de Calor resultarán más atractivas y ocuparán una cuota mayor del mercado.

4.1.5.- Situación española.

Las emisiones de CO2, como consecuencia de los procesos de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria en los sectores residencial y servicios, ascienden anualmente en nuestro país a 28 millones de toneladas de CO2. Esto representa un 12 % de las emisiones nacionales de CO2.

Si aceptamos, de acuerdo con los apartados anteriores, que el potencial de reducción de emisiones de CO2 por Bomba de Calor puede llegar a ser del 6%, su realización en España supondría evitar 1,68 millones de toneladas de CO2, lo que representaría una reducción del 0,7 % sobre el total de nuestras emisiones.

FIGURA 4.3 EMISIONES DE CO2 EN ESPAÑA


Decíamos anteriormente que en las Bombas de Calor eléctricas, mayoritarias en nuestro país, la electricidad consumida para accionarlas, ya lleva implícita la emisión de CO2 en origen. Es decir la producida por las centrales de generación eléctrica y como consecuencia de las pérdidas de transporte y distribución. Pero su efecto sobre el medio ambiente


dependerá de cómo se genere esta energía eléctrica. Si es mediante energía hidroeléctrica, nuclear o eólica, es clara la reducción de emisiones.

En la tabla siguiente se muestran las cuotas de producción de energía primaria para producción eléctrica y el rendimiento medio de las centrales de generación para los diferentes combustibles.

Producción de energía eléctrica en España

Cuota

(%)

Rendimiento medio de la central de generación

(%)

FUEL-OIL 0,1 36

FUEL-OIL 3,7 36,5

CARBÓN (TURBA) 28,2 35,7

CARBÓN (LIGNITO) 6,1 32

BIOMASA 0,4 30

NUCLEAR 30,8 32

HIDROELÉCTRICA 18,4

RENOVABLES 2,4

AUTOPRODUCCIÓN 9,9

Se observa que de la cuota total un porcentaje del 51,6 % no entraña emisiones de CO2, lo que representa una situación favorable para la Bomba de Calor. A esto hay que añadir que las energías renovables están teniendo cada vez mayor importancia dentro del panorama energético español, lo que beneficia la utilización de la Bomba de Calor, en relación con este aspecto.

4.2.- PROBLEMÁTICA ASOCIADA A LOS REFRIGERANTES.

4.2.1.- Introducción.

En el año 1974, se publicó en Nature, el trabajo "Stratospheric sink for chlorofluoromethanes; chlorine atom catalysed destruction of ozone" de Sherwood Rowland y Mario Molina. En él, los autores, relacionaron la disminución del espesor de la capa de ozono atmosférico con la acción catalítica de las moléculas de determinados compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados.

La tierra recibe energía del sol en forma de radiaciones de distintas longitudes de onda. Antes de alcanzar la superficie del planeta, estas radiaciones deben atravesar la atmósfera. La capa de ozono sirve como filtro natural de los rayos ultravioleta del sol, actuando como un escudo protector. Cuando estos compuestos alcanzan la estratosfera, zona más exterior de la atmósfera, quedan sometidos a las radiaciones solares ultravioletas, descomponiéndose y liberando átomos de cloro. Tras una serie de reacciones químicas complejas, el cloro destruye las moléculas de ozono. Por esta razón una mayor cantidad de radiación ultravioleta corta alcanza la superficie de la tierra.


Uno de los compuestos halogenados derivados de hidrocarburos saturados causante de este efecto son los CFC's conocidos como clorofluorocarbonos. Los CFC's fueron desarrollados en 1930 como fluidos de trabajo para sistemas frigoríficos de compresión mecánica, obtenidos sintéticamente por halogenación de hidrocarburos saturados. Aunque comenzaron como refrigerantes luego se emplearon en otros usos como sprays, aislamientos, industria química etc., por lo que su uso en aire acondicionado representa sólo una parte de sus aplicaciones.


Además de los CFC's existen otros fluidos de trabajo derivados de los hidrocarburos saturados que se utilizan en instalaciones de aire acondicionado. Son los obtenidos por sustitución de algunos átomos de hidrógeno por otros de flúor y cloro, llamados hidroclorofluorocarbonos o HCFC's. El HCFC's más conocido es el R-22. En España la práctica totalidad de las Bombas de Calor que se comercializaban lo utilizaban. Se les denomina abreviadamente CFC's y HCF's iniciales de sus componentes (cloro-flúor-carbonos) e (hidro-cloro-flúor-carbonos).

El factor de destrucción de la capa de ozono depende directamente del contenido de cloro del refrigerante. Para evaluar la capacidad de destrucción de ozono en términos cuantitativos se recurre a un índice adimensional. Se llama ODP (Ozone Depleting Potencial) ó Potencial de Destrucción de Ozono. Expresa el grado máximo en que un gas dado puede provocar la disminución de la capa de ozono. Por convención se da el valor 1 a la capacidad del R-11 para destruir ozono.

En el cuadro siguiente se hace una comparación entre diferentes refrigerantes en relación con el contenido de cloro, ODP y vida media estimada.

REFRIGERANTE CONTENIDO EN CLORO

CACTOR DESTRUCCIÓN OZONO

(ODP)

VIDA MEDIA ESTIMADA

(AÑOS)

R-11 (CFC) 77.4% 1 60

R-12 (CFC) 58.6% 0.95 130

R-22 (HCFC) 41% 0.05 15

R-134-a (HFC) 0 0 16

Los CFC's tienen una vida media atmosférica muy larga lo que les permite conservar su estructura molecular intacta hasta que alcanzan la estratosfera al cabo de 3 a 5 años después de su emisión. Los HCFC's tienen una vida media atmosférica más corta que los CFC's, por lo que su capacidad de destrucción es menor. Sólo una pequeña parte de las moléculas de HCFC's descargadas a la atmósfera alcanzan la estratosfera y contribuyen a la destrucción del ozono de la misma manera que lo hacen los CFC's. Los HCFC's tiene una incidencia 20 veces menor que el R-11.

Al detectarse las implicaciones de estos productos como modificadores del medio ambiente, se decidió a nivel mundial eliminarlos y sustituirlos por otros de tipo HFC's (hidro-fluor-carbonos, sin cloro) semejantes en seguridad y prestaciones pero inocuos para la capa de ozono.

En el año 1980 el UNEP (United Nations Environmental Programme) Programa de las Naciones Unidas de Medio Ambiente inició los trabajos de preparación de un convenio internacional para establecer las líneas generales para una acción internacional con vistas a la protección de la capa de ozono atmosférico.

En el año 1985 se aprobó el Convenio de Viena, para la protección de la Capa de Ozono. En él se establecieron una serie de mecanismos de investigación y de cooperación, así como la adopción de medidas legislativas, todo ello tendente a proteger la salud humana y el medio ambiente de los efectos adversos resultantes de las modificaciones de la capa de ozono atmosférico.


Poco después de la firma del Convenio de Viena se iniciaron los trabajos de preparación de un protocolo que regulase las sustancias que, aparentemente podían influir sobre la capa de ozono. En 1987 se aprueba el texto llamado "Protocolo de Montreal relativo a las Sustancias que agotan la Capa de Ozono". El texto deja abierta la posibilidad de ser enmendado en


función de sucesivas evidencia científicas que se fuesen obteniendo en relación con el agotamiento del ozono.

Como consecuencia de los resultados de las investigaciones científicas fomentadas por el Protocolo de Montreal que han contribuido a aumentar el conocimiento del mecanismo de deterioro de la capa de ozono, el número de sustancias reguladas y sus correspondientes calendarios de supresión, se han ido endureciendo en las sucesivas enmiendas del Protocolo de Montreal, Helsinki (1989), Londres (1990). Copenhague (1992) y Bangkok (1993).

La Comunidad Europea ha pretendido impulsar medidas más restrictivas que las del Protocolo de Montreal en lo relativo al control de las sustancias que agotan la capa de ozono. El Consejo de la Unión Europea, ha aprobado entre otros, el Reglamento 3093/94, relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono, que fija el calendario aplicable a estas sustancias.

4.2.2.- Situación española.

Del estudio del mercado español hecho a principios de los años noventa, realizado sobre un total de 2.707 modelos diferentes de Bombas de Calor, se obtiene como conclusión principal que prácticamente en su totalidad utilizan R-22. Sólo en 1 caso se ha detectado una Bomba de Calor que utiliza el R-134-a.

El parque actual de Bombas de Calor en los sectores residencial, comercio, servicio e industria concentra en sus equipos una cantidad de refrigerante que se estima en 5.500 toneladas de R-22. Su reparto por sectores es el siguiente:

SECTOR DISTRIBUCIÓN POR SECTORES, DEL REFRIGERANTE R-22 EN BOMBAS DE CALOR INSTALADAS EN ESPAÑA (Toneladas)

Residencial Comercial/Institucional Industrial

1000 4000 500

Dado su interés para la Bomba de Calor, reproducimos a continuación el calendario aprobado por el Reglamento 3093/94 en su capítulo II, artículo 4, relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono, respecto a los hidroclorofluorocarburos:

El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que los productores o importadores comercialicen o utilicen por cuenta propia en el período comprendido entre el 1 de enero y el 31 de diciembre de 1995 y en cada período siguiente de 12 meses no sobrepasará la suma de:

- El 2,6 % del nivel calculado de clorofluorocarburos que los productores o importadores hubieran comercializado o utilizado por cuenta propia en 1989 y

- El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que los productores o importadores hubieran comercializado o utilizado por cuenta propia en 1989.

Con este fin, la Comisión, con arreglo al procedimiento establecido en el artículo 16, atribuirá una cuota a cada productor o importador, cuando la cantidad total que los productores o importadores hubieren comercializado o utilizado por cuenta propia alcance el 80% de la cantidad definida por la suma citada o, a más tardar el 1 de enero de 2000, si no se alcanza el 80%.


-El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que un productor o importador comercialice o utilice por cuenta propia en el período comprendido entre el 1 de enero y el 31 de diciembre


de 2004 y en cada uno de los períodos siguientes de 12 meses no sobrepasará el 65% de la cuota atribuida.

-El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que un productor o importador comercialice o utilice por cuenta propia en el período comprendido entre el 1 de enero y el 31 de diciembre de 2007 y en cada uno de los perídos siguientes de 12 meses no sobrepasará el 40 % de la cuota atribuida.

-El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que un productor o importador comercialice o utilice por cuenta propia en el período comprendido entre el 1 de enero y el 31 de diciembre de 2010 y en cada uno de los períodos siguientes de 12 meses no sobrepasará el 20 % de la cuota atribuida.

-El nivel calculado de hidroclorofluorocarburos que un productor o importador comercialice o utilice por cuenta propia en el período comprendido entre el 1 de enero y el 31 de diciembre de 2013 y en cada uno de los períodos siguientes de 12 meses no sobrepasará el 5 % de la cuota atribuida.

-Ningún productor ni importador comercializará ni utilizará por cuenta propia hidroclorofluorocarburos a partir del 31 de diciembre de 2014.

La Comisión de acuerdo con el procedimiento establecido en el artículo 16 podrá revisar las cuotas atribuidas de hidroclorofluorocarburos en la medida en que lo permita el presente Reglamento".

De acuerdo con lo anterior el cese de producción de los HCFC para la Comunidad Europea, está previsto para el 31/12/2014. Esto permite considerar al R-22 como un refrigerante correcto a corto y medio plazo. La fecha definitiva no puede asegurarse ya que puede ocurrir como en el caso de los CFC que los plazos iniciales vayan acortándose. De hecho algunos países ya lo han hecho para los equipos nuevos como Dinamarca ( a partir del 1/1/2002), Suecia (1/1/1998) ó Alemania ( a partir del 2000). Esta tendencia a adelantar el calendario de limitación de usos debe ser tenida en cuenta por los fabricantes españoles.

La reglamentación contempla su eliminación en plazos más largos que los CFC's debido a que

al ser un refrigerante de la familia de los HCFC posee una afección a la capa de ozono de casi

20 veces menor que la presentada por el CFC 12.

Hay que recordar que los efectos de estos refrigerantes sobre la capa de ozono, se producen cuando son liberados a la atmósfera, dado que en condiciones normales trabajan en circuito frigorífico cerrado. Esta circunstancia se puede producir durante la construcción o destrucción de los equipos, con ocasión de las operaciones de mantenimiento o bien si el equipo tiene fugas.

En esta línea el Reglamento 3093/94 señala que se tomarán todas las medidas de prevención factibles para evitar los escapes. Por lo que será un asunto de la mayor trascendencia concienciar al personal que manipula las instalaciones.

Las Bombas de Calor de absorción, al utilizar refrigerantes como el amoníaco y el agua, que tienen un potencial destructor del ozono nulo, pueden contribuir también a la conservación del ozono estratosférico.



5.- SITUACIÓN DEL MERCADO.

5.1.- OBJETIVOS.

El objetivo de este apartado es conocer el mercado de la Bomba de Calor en España, su evolución en los últimos años y sus perspectivas de futuro. También los distintos tipos de Bombas de Calor que se comercializan, bien de fabricación nacional o de importación.

El análisis del mercado se inició con una encuesta entre los fabricantes importadores y distribuidores y entrevistas personales.

Además se efectuó un análisis de los catálogos técnico-comerciales de Bomba de Calor, confeccionándose como resultado, las tablas contenidas en el apartado 8 titulado "Relación de Bombas de Calor en el mercado español". Incluye una relación de 30 fabricantes, en dos apartados: Bombas de Calor de accionamiento eléctrico y Bombas de Calor a gas. Están incluidos todos los fabricantes de Bomba de Calor de las dos asociaciones más representativas del sector AFEC y AFIBCA y otros no asociados lo que hace que el trabajo sea muy representativo, proporcionando una panorámica general del mercado.

Hay que poner de manifiesto los escasos datos publicados sobre este sector, con excepción de los Balances del Mercado de la Climatización que periódicamente realiza AFEC mediante encuesta a los fabricantes. Esta encuesta está referida al mercado de la climatización, por lo que sólo proporciona cifras globales y, sin diferenciar el apartado de Bombas de Calor.

5.2.- SITUACIÓN DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR ELÉCTRICA.

5.2.1.- Antecedentes.

En el año 1980, se celebró en Madrid una mesa redonda sobre la Bomba de Calor, que reunió a representantes de diversos sectores: Administración, Universidad, Asociaciones, Fabricantes, Usuarios, etc., con el fin de obtener una visión de conjunto de las posibilidades de aplicación de la Bomba de Calor en los sectores doméstico y terciario.

Las conclusiones de esa Jornada, que podrían resumir el estado del sector de la Bomba de Calor, hace 25 años, eran las siguientes:

-Necesidad de contar con una legislación adecuada que favorezca la implantación de sistemas de calefacción y producción de agua caliente sanitaria, que representen un ahorro de energía y contribuyan a paliar problemas de contaminación.

-Necesidad de disponer de datos climatológicos que permitan evaluar el consumo energético de la Bomba de Calor.

-Favorecer la comercialización de equipos con tecnología más desarrollada.

-Potenciar el nivel informativo sobre Bomba de Calor.

-Fomentar la creación de referencias.

-Potenciar los Servicios de Asistencia Técnica de los fabricantes e instaladores.


-Necesidad de elaborar normas de homologación y vigilar su cumplimiento.


De acuerdo con la ponencia presentada por el representante de AFEC, en aquellas fechas, el número de fabricantes españoles en el mercado doméstico era de 3 y en el sector terciario 4 ó 5. Estimándose el número de ventas en el sector doméstico en 1.700 aparatos y de 800 a 1.000 en el sector terciario.

Han pasado 25 años y el sector ha evolucionado considerablemente, como se podrá apreciar a continuación.

5.2.2.- Penetración.

Las Bombas de Calor con motor eléctrico ocupan mayoritariamente el mercado español.

No resulta fácil realizar una valoración del número de Bombas de Calor instaladas en España, debido por una parte a la falta de un censo de estos equipos y por otra a la publicación de las cifras de ventas solo de una manera general para todo el sector de climatización.

Un total de 800.000 Bombas de Calor se estiman instaladas en el sector doméstico residencial y unas 400.000 en el sector comercial. Además en el sector industrial y destinadas a instalaciones de secaderos de distinto tipo como de tabaco, madera, o alimentos puede haber del orden de 7.500 equipos. En total un parque que supera el millón de equipos.

FIGURA 5.1 BOMBAS DE CALOR INSTALADAS EN LOS DISTINTOS SECTORES

El número medio de equipos vendidos anualmente en el sector doméstico se estima en 85.000 unidades/año y en el comercial de 30.000 unidades/año.

El índice de penetración de los equipos de aire acondicionado en España en el sector doméstico es muy bajo. En 1990 sólo un 5 % de las viviendas disponían de un sistema de refrigeración, frente al 84 % que disponían de algún sistema de calefacción. Este sector doméstico, formado por un parque de 11,8 millones de viviendas, sin considerar los 5,4 millones de viviendas no principales, es un mercado potencial muy importante. Además se estima que el parque de viviendas crecerá en los próximos 10 años por encima de las 600.000 viviendas. En la medida que el nivel de vida aumente se demandarán sistemas de climatización que proporcionen calefacción y refrigeración, por lo que las perspectivas para la Bomba de Calor son buenas.


En el sector domestico la mayor parte de los equipos de Bomba de Calor instalados son del tipo individual. Quizá la característica más destacada en las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria es el importante retroceso que están experimentando en los últimos años los sistemas centralizados frente a los sistemas individuales. El éxito de los equipos individuales de Bomba de Calor, se debe a:


Sencillez de instalación, que puede realizar correctamente un profesional sin gran cualificación. Precio asequible para una economía media. Control individual por el usuario tanto de la temperatura, como de los tiempos de

funcionamiento e imputación de costes. Tamaño reducido. Diseño estético cuidadoso que los hace atractivos. Bajo nivel de ruido Sencilla instalación que no requiere grandes obras.

Aún así, la instalación de Bomba de Calor se sigue considerando un extra, tanto por el constructor como por el usuario. Por el contrario la caldera de calefacción tradicional se considera equipamiento básico. Y esto, aún en zonas donde debido a una climatología extrema en verano, el aire acondicionado es una necesidad.

Las Bombas de Calor aire-aire son mayoría entre las instaladas en España en el sector doméstico. Las aplicaciones de suelo radiante combinadas con Bomba de Calor aire-agua no están suficientemente introducidas.

El sector doméstico es en el que más unidades se venden y con grandes perspectivas de crecimiento, seguido del terciario y, con menor número de ventas, el industrial.

El sector comercial es más estable y no está tan influido por la climatología en sus ventas. La Bomba de Calor está muy introducida y es suficientemente conocida. El crecimiento del sector está relacionada con la marcha de la economía. Así durante el año 95 el estancamiento en las ventas de los equipos comerciales se debió a la atonía inversora en locales de negocios.

En el sector industrial las aplicaciones de la Bomba de Calor más habituales son en secaderos de tabaco, secaderos de madera, procesos de fermentación en la fabricación del pan e industria cárnica (secado de jamones). La principal dificultad para su introducción es la necesidad de un diseño adaptado al proceso en cuestión, que encarece el producto. En España, la evolución de la Bomba de Calor ha estado siempre relacionada con el aire acondicionado. En la tabla siguiente se observa el porcentaje de equipos sólo frío y Bombas de Calor vendidos durante el año 1997. En el sector doméstico (aparatos de ventana, consolas, murales, multi-split, etc.), es decir la instalación sin conductos, el 38% de las unidades son sólo frío y el 62% Bomba de Calor. En el sector terciario o doméstico cuando las instalaciones de equipos autónomos requieren red de conductos, la proporción aumenta a un 74% para la Bomba de Calor, frente al equipo sólo frío. En el caso de roof-top o equipos autónomos de cubierta, utilizados por ejemplo en las grandes superficies, la proporción prácticamente se mantiene en un 73%.

De lo anterior se concluye que en el mercado nacional de acondicionamiento de aire, el peso de la Bomba de Calor es muy elevado. Sólo en el sector doméstico el equipo sólo frío tiene un peso mayor, debido a que el usuario habitualmente dispone ya de calefacción, y sólo busca complementar con el equipo que le proporcione refrigeración en la temporada de verano.


RELACIÓN ENTRE EQUIPOS SÓLO FRÍO Y BOMBA DE CALOR EN EL MERCADO ESPAÑOL DE 1997

% UNIDADES SÓLO FRÍO

% UNIDADES BOMBA DE

CALOR

EQUIPOS DOMÉSTICOS (Aparatos de ventana, consolas, murales, multisplit, etc)

38 62

AUTÓNOMOS 26 74

ROOF-TOP 27 72


En las grandes instalaciones con enfriadores de agua, la proporción en el tipo agua-agua es baja y solo llega al 12%. En el equipo medio aire-agua hasta 200 kW, desciende al 27%. El porcentaje total queda en un 55% a favor de la Bomba de Calor. Hay por lo tanto un mercado para la Bomba de Calor por explotar.

RELACIÓN ENTRE ENFRIADORES DE AGUA, SÓLO FRÍO Y BOMBA DE CALOR EN EL MERCADO ESPAÑOL DE 1997

% UNIDADES SÓLO FRÍO

% UNIDADES BOMBA DE

CALOR

AGUA-AGUA 88 12

AIRE-AGUA hasta 200 kW 38 62

AIRE-AGUA más 200 kW 73 27

TOTAL ENFRIADORES 45 55

5.2.3.- Factores que influyen en la situación del mercado.

Entre los factores que influyen en la situación del mercado de la Bomba de Calor se encuentran:

a) Precios de la energía.

La política energética española de los últimos años está orientada a la liberación de los mercados tradicionalmente intervenidos del gas y de la electricidad. En 1997 se publicó el Real Decreto 2019/97 por el que se organiza y regula el mercado de producción de energía eléctrica. Por otra parte el Gobierno español está desarrollando el marco para la liberalización de la industria del gas en España. El marco legal se basa en:

Real Decreto 1914/97 por el que se establecen las condiciones de acceso de terceros a las instalaciones de recepción, regasificación, almacenamiento y transporte de gas natural.

Proyecto de ley de hidrocarburos (pendiente de aprobación).

La nueva legislación tendrá una repercusión evidente en los precios de la energía y consiguientemente en los costes de utilización de la Bomba de Calor.

En el momento actual los precios máximos del gas natural se encuentran fijados por ley. El precio de la electricidad también es fijo, y anualmente se publica la tarifa eléctrica. Sin embargo los precios del carbón y gasóleo-C no están regulados administrativamente, y en consecuencia presentan oscilaciones en función de la oferta y la demanda.

b) Climatología.

Las ventas de equipos de aire acondicionado guardan una estrecha relación con la climatología, especialmente en el sector doméstico. El incremento de ventas de equipos de aire acondicionado en los años calurosos propicia el aumento de la instalación de Bombas de Calor, donde por un pequeña diferencia del precio, el usuario disfruta de refrigeración y calefacción proporcionada por el mismo aparato.

De acuerdo con los estudios de mercado de la climatización de AFEC, durante el año 95 el aumento en las ventas de equipos de aire acondicionado doméstico fue de un 15%, debido entre otras razones a un verano muy caluroso. En el verano del 96 el mismo informe destaca una fuerte caída en las ventas de unidades de tipo ventana y portátiles, debido a un verano muy suave. En el verano del 97, las ventas para el mercado de tipo doméstico, mejoraron durante el periodo julio-septiembre debido a una climatología favorable.



c) Costes de inversión.

El coste de inversión de la Bomba de Calor es uno de los factores que afectan más a su situación en el mercado, sobre todo cuando se comparan con los sistemas que entran en competencia directa con ellos.

A continuación se dan unos precios estimados medios, de los costes de inversión de una Bomba de Calor, clasificados por potencias térmicas, a partir de precios de catálogo del año 97 y referidos solo al equipo, sin incluir instalación.

<5 kW [Pta/kW]

5-25 kW [Pta/kW]

25-500 kW [Pta/kW]

Residencial 75.000 60.000 45.000 (1)

90.000 (2)

Comercial/Institucional 75.000 60.000 45.000 (1)

90.000 (2)

Industrial 100.000

(1) Bomba de Calor aire-aire

(2) Bomba de Calor aire-agua

d) Programas de promoción.

Entre los programas de promoción de la Bomba de Calor en España hay que destacar los "Programas de Gestión de la Demanda Eléctrica".

La "Gestión de la Demanda Eléctrica" es el conjunto de acciones sobre la demanda de energía eléctrica que son ejecutadas directa o indirectamente por las compañías eléctricas con el objeto de intervenir en el mercado, con vistas a cambiar la configuración de la curva de carga, sea por la introducción de tecnologías o técnicas más eficientes o por influencia en los hábitos de los consumidores.

La Bomba de Calor se incluyó en los planes de Gestión de la Demanda Eléctrica del año 1995, no así en el 1996, reanudándose en el año 1997 estas ayudas.

El objetivo del año 95 fue llevar a cabo 200 instalaciones de Bomba de Calor en el sector doméstico. En el año 1997 se incrementaron los esfuerzos dentro del programa destinados a la promoción de la Bomba de Calor en los ámbitos doméstico, comercial e industrial.

En el sector doméstico se dedicaron 270 MPTA en promoción e incentivos directos con el fin de instalar 2.261 Bombas de Calor. Los destinatarios del programa eran usuarios con consumos superiores a 3.500 kWh/año o con consumos en invierno dobles a los de verano. Como resultado se instalaron el 98,3 % de las Bombas de Calor previstas.


En el sector terciario se dedicaron 15 MPTA a promoción e incentivos directos con el fin de instalar 50 Bombas de Calor. Se llegó a acuerdos con los fabricantes de equipos y se realizó una campaña de información en puntos de venta y con los instaladores. Se envió además de un "mailing" a clientes potenciales con un cuestionario, adjuntando una lista de establecimientos de venta e instaladores colaboradores. El proyecto se realizaba de forma gratuita. Únicamente se promocionaban equipos sin apoyo eléctrico. Como resultado se instalaron 88 Bombas de Calor previstas.


Al sector industrial se destinaron 436 MPTA. El objetivo fue la instalación de 95 Bombas de Calor en la industria, previa realización de un estudio energético. El programa se desarrolló mediante acuerdos con fabricantes y distribuidores, campañas de información a instaladores y PYMES. los objetivos previstos se superaron ampliamente, al instalarse 648 unidades.

e) Aumento del nivel de vida.

El aire acondicionado ha pasado de considerarse un lujo al alcance de muy pocos bolsillos, a ser una necesidad que se va integrando en nuestra vida diaria, por ejemplo cada vez son más los coches que lo llevan incorporado. Por otra parte ha existido en los últimos años un incremento del nivel de equipamiento en el sector doméstico, consecuencia del mayor nivel de vida.

f) Nuevas vías de comercialización.

La Bomba de Calor junto con el resto de equipos de aire acondicionado de pequeña potencia, ha pasado de venderse solamente a través de los canales habituales, muy especializados, a hacerlo a través de las grandes superficies comerciales o cadenas de distribución de electrodomésticos. El mercado doméstico-residencial, formado por equipos de pequeña potencia se asemeja cada vez más al mercado del electrodoméstico.

g) Normativa energética.

La aparición del R.I.T.E. (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) o los procesos iniciados recientemente de revisión de la Norma Básica de Aislamiento NBE-CT-79 y de Calificación Energética de Edificios, con unas mayores exigencias en los aspectos energéticos y medioambientales serán factores que influirán positivamente en el desarrollo de la Bomba de Calor debido a su menor impacto sobre el medio ambiente y su contribución a la reducción de las emisiones de CO2.

h) Evolución del parque de viviendas y oficinas.

El parque de viviendas ha experimentado un crecimiento constante y moderado en los últimos años.

El principal impedimento para la penetración en el sector de viviendas es el desconocimiento por parte del usuario de la Bomba de Calor.

FIGURA 5.2 EVOLUCIÓN DEL PARQUE DE VIVIENDAS

5.2.4.- Fabricantes


El número de fabricantes de Bombas de Calor estudiado ascendió a 30. Se han computado 391 series con un total de 2.707 modelos.


A partir de los datos aportados por fabricantes y/o suministradores se concluye que el 55% de los modelos comercializados en España son fabricados en nuestro país, bien por empresas de capital nacional, bien por empresas de capital extranjero.

FIGURA 5.3 BOMBAS DE CALOR FABRICADAS EN ESPAÑA E IMPORTADAS.

El 93% de los fabricantes analizados se dedican a la producción de Bombas de Calor aire-aire. El 60% de los fabricantes analizados se dedican a la producción en serie de Bombas de Calor aire-agua, mientras que únicamente un 13% se dedican a la fabricación de Bombas de Calor agua-aire y un 20% a los Bombas de Calor tipo agua-agua.

FIGURA 5.4 PORCENTAJE DE FABRICANTES SEGÚN TIPO DE BOMBA DE CALOR COMERCIALIZADA

Por otra parte el 87% de las empresas analizadas fabrican equipos en el rango de potencias de 0 a 10 kW, un 63% en el rango de 10 a 100 kW, y un 40% en el rango de 100 a 1000 kW. Únicamente un 10% de las marcas analizadas tiene en el mercado equipos que superen 1000 kW en potencia calorífica nominal.

FIGURA 5.5 PORCENTAJE DE FABRICANTE SEGÚN RANGO DE POTENCIAS.

5.2.5.- Gama de equipos

Las necesidades del mercado se están cubriendo con una amplia gama de equipos que van desde 0,7 kW hasta 1.250 kW de potencia calorífica proporcionadas en condiciones nominales.


Los distintos tipos de Bombas de Calor se agrupan en cuatro categorías:


Tipo de Bomba de Calor Número de series Número de modelos

aire-aire 279 1579

aire-agua 78 766

agua-aire 14 128

agua-agua 19 234

TOTAL 390 2707

FIGURA 5.6 PORCENTAJE DE SERIES DE BOMBA DE CALOR SEG"N TIPO

El 71% de las series corresponden a Bombas de Calor aire-aire, el 20% corresponden a Bombas de Calor aire-agua, el 4% a Bombas de Calor agua-aire y el 5% a Bomba de Calor agua-agua.

Dentro de los modelos aire-aire, el 66% de las series fabricadas son equipos partidos (split), el 20% son equipos compactos, y el 14% restante lo configuran equipos multi-split.

Aire-Aire Número de series Número de modelos Compactas 59 445 Partidas 180 973 Multi-split 40 161

FIGURA 5.7. PORCENTAJE DE SERIES DE BOMBA DE CALOR SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN


Por otra parte, dentro de las series aire-aire el 48% son Bombas de Calor destinadas a redes de conductos de aire, 3% modelos VRV y el resto 49% series de expansión directa de bajas potencias y de uso individual (split y multisplit).


FIGURA 5.8 PORCENTAJE DE BOMBAS DE CALOR SEGÚN TRANSPORTE DE CALOR

5.2.6.- Perspectivas

Se aprecia en los últimos años una tendencia cada vez mayor en el sector de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria hacia las instalaciones individuales frente a las tradicionales centralizadas, lo que tiene su reflejo también en el campo de la Bomba de Calor.

La sociedad se encuentra cada vez más concienciada con el impacto ambiental del consumo de energía. Estas nuevas actitudes favorecerán la implantación de la Bomba de Calor, por la reducción de emisiones de CO2 y ahorro energético que representa. Por otra parte, la nueva normativa energética primará la utilización de tecnologías más limpias.

5.3.- SITUACIÓN DEL MERCADO DE LA BOMBA DE CALOR A GAS.

5.3.1.- Evolución del mercado.

La Bomba de Calor a gas se presenta como una alternativa al sistema tradicional de Bomba de Calor accionada por motor eléctrico, dentro del sector de la climatización a gas natural. En el año 1980 se iniciaron las pruebas en nuestro país con pequeñas Bombas de Calor a gas natural reversibles japonesas, de la gama de potencias comprendidas entre 5-46 kW de potencia frigorífica y 7-48 kW de potencia calorífica.

Finalizado un periodo de análisis y seguimiento de otros mercados, a partir del año 1990 se inicia un proceso de investigación y desarrollo de equipos con motor a gas, adaptados al mercado mediterráneo, entre Italgas y Catalana de Gas, dando como resultado en el año 1992 la realización de 3 instalaciones, dos en el sector de restauración en Barcelona y Cádiz respectivamente y una para la climatización de una oficina en Hospitalet.

5.3.2.- Factores que influyen en la situación del mercado

La tecnología de la Bomba de Calor a gas se encuentra en sus inicios en el mercado español, debiendo hacer frente a una serie de barreras o impedimentos que se pueden resumir en los siguientes:

Peor aceptación por parte del usuario de las instalaciones de gas frente a las eléctricas. Desconocimiento por parte de los proyectistas y usuarios de sus posibilidades.


Competencia en un mercado donde la Bomba de Calor eléctrica está muy consolidada y tiene una tradición de años.


Escasa gama de productos frente a una gran variedad de equipos en Bomba de Calor eléctrica. Especialmente en el sector doméstico donde no se comercializa ningún equipo.

Costes más elevados de los equipos a gas frente a los eléctricos.

5.3.3.- Penetración.

En la siguiente tabla se presenta el número de unidades de Bomba de Calor a gas, instaladas en España en los últimos años, a partir de los datos facilitados por Gas Natural SDG, S.A.

Aunque su evolución ha sido creciente desde el año 1992, el número total instalado resulta poco significativo comparado con el parqué de Bomba de Calor eléctrica. Todas las Bombas de Calor instaladas son aire-agua.

1992 1993 1994 1995 1996 1997 TOTAL

BOMBAS DE CALOR CON MOTOR DE GAS INSTALADAS EN ESPAÑA 3 8 12 25 36 47 131

Estas instalaciones se han realizado en su totalidad en el sector comercial institucional, dado que la gama de media potencia ofertada las hace adecuadas para ello.

5.3.4.- Fabricantes.

A fecha de hoy solo disponemos de datos de un fabricante que comercializa este tipo de Bomba de Calor en España.

5.3.5.- Gama de equipos.

La gama de equipos Bomba de Calor comercializada comprende 3 modelos de 103, 171 y 271 kW de capacidad frigorífica y 108, 177 y 271 kW de capacidad calorífica, con posibilidad de disponer de agua a temperatura de 60/70 ºC destinada a agua caliente sanitaria tanto en verano como en invierno.

5.3.6.- Perspectivas.

Las tendencias y perspectivas de la bomba de gas en nuestro país para los próximos años son:

Promover el desarrollo de una industria de Bomba de Calor a gas en España, destinada tanto al consumo interior como a la exportación de forma que la compañía distribuidora de gas no intervenga en la importación y distribución de los equipos.

Promover actuaciones en investigación y desarrollo, nacionales y en colaboración con otros países que permita ampliar la gama de equipos actualmente ofertados, reducir los costes de estos equipos a partir de la creación de un mercado de tamaño suficiente que permita su fabricación en cantidad suficiente de forma que sean competitivos frente a otras opciones.

Consecución de una cuota de mercado mayor , apoyado por la extensión de la red de gas a todo el territorio nacional, lo que facilitará la entrada en el sector doméstico y comercial.



6.- CASOS DE ESTUDIO.

6.1.- PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA Y CLIMATIZACIÓN DE HOTEL CON ENERGÍA SOLAR.

Ubicación: Hotel Borgia. Gandía (Valencia). Sector: Hotelero. Equipo: Bomba de calor aire-agua. Potencia calorífica: 73 kW por equipo. Potencia frigorífica: 62 kW por equipo. Descripción: La climatización de este hotel de 4 estrellas con 76 habitaciones se realiza con Bombas de Calor aire-agua. Estas bombas dimensionadas para cubrir todas las necesidades de refrigeración, tienen un excedente de potencia calorífica. Por esta razón una de las dos bombas se destina para el apoyo de la producción de agua caliente sanitaria, con posibilidad de que cumplido este objetivo, pueda cambiar de circuito para producir climatización. La instalación del sistema solar está formada por 160 m2 de superficie de colectores solares.

6.2.- FERMENTACIÓN DEL PAN.


Ubicación: Velilla de San Antonio (Madrid). Sector: Industria panificadora. Equipo: Bomba de calor aire-aire reversible accionada mediante motor eléctrico. Potencia máxima absorbida: 3,5 kW. Descripción: En la fabricación del pan tiene lugar un proceso en que es de aplicación directa la Bomba de Calor. Se trata de la fermentación de la masa. Este proceso, en el que los azúcares contenidos en la masa se transforman en alcohol y anhídrido carbónico, debe desarrollarse a una temperatura dentro del entorno 22/30ºC. Las especiales condiciones de la mayor parte de los obradores de panadería obligan a calentar en invierno y a refrigerar en verano si no queremos tener desviaciones importantes con respecto a las temperaturas citadas. Esta aplicación supone un considerable ahorro de energía respecto a los sistemas actualmente empleados.


6.3.- CLIMATIZACIÓN DE PALACIO DE JUSTICIA, VITORIA.


Ubicación: Palacio de Justicia, Vitoria. Sector: Edificio Público. Equipo: 81 Unidades exteriores VRV inverter Bomba de Calor, 101 unidades interiores para conductos, empotradas en el techo, 268 unidades interiores de suelo sin envolvente y 88 unidades interiores tipo cassette. Potencia de Refrigeración instalada: 1.284.280 kW. Potencia de Calefacción instalada: 1.348.953 kW. Descripción: El edificio, en forma de punta de flecha, se compone de 4 plantas acristaladas. El sistema de ventilación es centralizado y dispone de recuperación de calor del aire de extracción en invierno. Las unidades interiores pueden regularse de forma individual con un control centralizado on/off en cada piso.


6.4.- CLIMATIZACIÓN DE UNA PISCINA CUBIERTA.

Ubicación: Club de Campo Villa de Madrid (Madrid). Sector: Piscina. Equipo: Bomba de calor agua-agua. Potencia calorífica: 150,5 kW. Potencia frigorífica: 116,4 kW. Descripción: Climatización de piscina mediante Bomba de Calor agua-agua, que permite la deshumidificación del vapor de la piscina, utilizando la recuperación de calor para los distintos puntos de calentamiento de la instalación. La climatización mediante una solución convencional obligaría a recurrir a importantes caudales de renovación de aire para eliminar el vapor producido por el agua de la piscina, que se expulsaría al exterior, lo que representaría una importante pérdida de energía, situación que no se produce utilizando el sistema con Bomba de Calor.

6.5.- CLIMATIZACIÓN DE OFICINAS.


Ubicación: Torres Plaza Cerdá. Barcelona. Sector: Edificio de oficinas. Equipo: 134 unidades exteriores VRV Bomba de Calor y 550 unidades interiores para empotrar en techo para adaptar a conductos. Potencia de refrigeración instalada: 2.875.000 kW. Potencia de calefacción instalada: 3.440.000 kW. Descripción: 20.000 m2 de oficinas distribuidas en tres torres idénticas. La climatización de los edificios se realiza mediante diversas unidades exteriores a las que se conectan múltiples unidades interiores empotradas en los techos. El sistema de ventilación cuenta con un ventilador para la toma de aire exterior y otro para la extracción. Son totalmente modulares para 1/4 de planta tipo del edificio. Dispone de controles remotos para cada unidad interior y sistema de gestión centralizada.


6.6.- SECADERO DE MADERA.

Ubicación: Maderas Angel de la Orden Carretera Madrid s/n (Soria). Sector: Industrial Aserrado y comercialización de maderas. Equipo: Bomba de calor aire-aire con motor eléctrico. Potencia máxima absorbida: 47 kW. Descripción: La empresa Maderas Angel de la Orden se dedica al aserrado y comercialización de madera. Para el secado de la madera se utiliza una cámara en la que se ha situado una Bomba de Calor de motor eléctrico aire-aire con recuperación de calor. La humedad inicial de la madera se sitúa entre el 65% y valores próximos al 100%. La humedad final obtenida se sitúa entre el 10% y el 13%, en función de la humedad inicial y tiempo de secado. La duración del ciclo de secado varía entre 10 y 16 días.



6.7.- CLIMATIZACIÓN DE RESTAURANTE.

Ubicación: Estación de Francia. Terminal de RENFE (Barcelona). Sector: Restauración. Equipo: Bomba de calor aire-agua con motor de gas. Combustible: gas natural. Potencia de refrigeración instalada: 164,9 kW. Potencia de calefacción instalada: 177,8 kW. Descripción: El restaurante de la Estación de Francia de Barcelona, ha sido rehabilitado en 1992. La climatización del local se realiza mediante un sistema aire-agua con tratamiento del aire y control centralizado. El equipo de climatización es una Bomba de Calor aire-agua con inversión de ciclo, con motor de gas natural, ubicada en la cubierta del edificio al aire libre. El tratamiento del aire impulsado a los locales se efectúa por medio de un equipo central ubicado en el sótano. La distribución del aire al local y la recirculación del mismo se realiza por medio de conductos de acero galvanizado.



6.8.- RECOMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR PARA LA CONCENTRACIÓN DE ZUMO DE FRUTA.

Ubicación: Mollerussa (Lleida). Sector: Industria Transformación de productos hortifrutícolas. Equipo: (MVR) compresor accionado por motor eléctrico. Energía absorbida por el compresor: 15 a 100 kWh por tonelada de agua evaporada. Energía térmica obtenida: 700 kWh por tonelada de agua evaporada. Descripción: La empresa NUFRI se dedica entre otras actividades a la concentración de zumo de fruta. La recompresión mecánica del vapor permite reducir el número de etapas necesarias para el proceso de evaporación. Se disponen tres evaporadores y un compresor en serie. El compresor eleva la presión y la temperatura de la línea de cola de la última etapa (que es agua con trazas de zumo) a 137ºC y 2 kg/cm2, al condensar una vez comprimida cede su calor al evaporador de la primera etapa.

6.9.- APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA MEDIANTE BOMBA DE CALOR EN HOTEL.


Ubicación: San Juan de Beleño (Asturias). Sector: Hotelero. Equipo: Bomba de calor

agua-agua. Potencia eléctrica instalada: 16,5 kW. Descripción: Antiguo balneario de

aguas termales, restaurado y convertido en un hotel con catorce habitaciones. El periodo de

utilización es de octubre a mayo. Lleva utilizándose desde el año 1989. La calefacción del

recinto y habitaciones es mediante agua caliente termal. En origen surge a 30ºC y

posteriormente se eleva a 50ºC mediante una Bomba de Calor agua-agua. El sistema de

calefacción es por suelo radiante en el comedor y lugares comunes y por radiadores en las

habitaciones. La superficie calefactada es de aproximadamente 470 m2. El caudal del

manantial termal es de 2 l/s.


6.10.- CLIMATIZACIÓN EN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

Ubicación: Edificio de vivendas "Puerta Granada" (Madrid). Sector: Doméstico. Equipo: Bomba de calor aire-agua con motor de gas. Combustible: Gas natural. Potencia de refrigeración instalada: 171 kW. Potencia calefacción instalada: 255 kW. Descripción: El conjunto de viviendas Puerta de Granada ha sido construido recientemente. Cada uno de los cuatro edificios de 27 viviendas por bloque cuenta con una Bomba de Calor con motor de combustión interna según el ciclo Otto del tipo aire-agua. Los equipos se ubican en la cubierta del edificio. La energía se distribuye mediante un circuito hidráulico. Se han dispuesto contadores individuales para cada vivienda.

6.11.- CLIMATIZACIÓN DEL TEATRO REAL.


Ubicación: Teatro Real (Madrid). Sector: Servicios. Equipo: Bomba de calor aire-agua con

motor eléctrico. Descripción: El Teatro Real de Madrid se climatiza mediante dos unidades

enfriadoras de agua y dos Bombas de Calor aire-agua. Además dispone de un sistema de

acumulación de hielo. De esta manera se cubren las distintas demandas de climatización en

función de las diferentes zonas del edificio y momentos del día. Así, por ejemplo, trabajando

en modo de calefacción las unidades Bomba de Calor calientan el escenario de ensayos. El

conjunto se regula mediante un sistema centralizado que gobierna el sistema de acumulación

de hielo, las unidades enfriadoras y las Bombas de Calor.



7.-BIBLIOGRAFÍA. Direcciones consultadas en Internet: www.enher.es www.fecsa.es www.hictesa.com www.acson.es www.enebc.org/bomba http://bdd.unizar.es/pag3/PAG6-2/5.htm www.ribernet.es/instalaciones/instala.htm http://imartinez.etsin.upm.es/lab1/p5/Bomba de calor.html http://www.imst.upv.es/bombaCalor.htm http://www.bluprint.es/sanitaristas/hidro.html http://www.ciberia.es/~egl/definibomba.htm http://www.ediho.es/contenidos/f265.html http://cipres.cec.uchile.cl/~mabello/taller2/1.html http://www.martiter.com/

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