Indicaciones generales sobre cómo diseñar una bomba de calor con referencias a software completo y funcional. De excelente ayuda para quienes deben elegir el tipo de máquina y su correcto tamaño.
Diseñar una bomba de calor es un proceso fascinante que combina conocimientos científicos, de ingeniería y prácticos para crear un sistema altamente eficiente capaz de explotar los recursos térmicos del entorno para calentar o enfriar espacios habitables. Esta guía creada por Itieffe fue diseñada para ofrecer una visión completa y profunda de este tema crucial en el campo de la ingeniería térmica y la eficiencia energética.
Las bombas de calor representan una solución sostenible para calentar y enfriar edificios, ya que utilizan una cantidad mínima de electricidad para transferir calor de una fuente fría a una caliente o viceversa. Este enfoque innovador no sólo reduce los costos de energía sino que también ayuda a mitigar el impacto ambiental al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con los sistemas tradicionales de calefacción y refrigeración.
Propósito de la guía
Esta guía fue creada por Itieffe para ser un punto de referencia para ingenieros, diseñadores, estudiantes y entusiastas de la industria interesados en comprender en profundidad los principios básicos y avanzados del diseño de bombas de calor.
Comenzaremos con una descripción general de las principales características y componentes necesarios para su funcionamiento.
El diseño de una bomba de calor es un proceso multidisciplinario que requiere experiencia en termodinámica, dinámica de fluidos, ingeniería eléctrica y más. Sin embargo, con el conocimiento adecuado y la orientación adecuada, es posible abordar este desafío de manera efectiva y sostenible.
Espero que esta guía le proporcione una base sólida para comprender y abordar el diseño de bombas de calor con confianza y éxito. Feliz lectura y buen trabajo en el fascinante y cada vez más relevante mundo de las bombas de calor.
Cómo funciona una bomba de calor y cómo dimensionarla
Queriendo reflexionar sobre la tecnología: "Bombas de calor", notamos que finalmente en Italia, todos los técnicos han comenzado a hacer cálculos en W o kW.
Las BTU (unidades térmicas británicas) finalmente han desaparecido y es así como hay que ver que en nuestro sistema (SI) los cálculos son estrictamente en W (o kW).
¿Qué es una bomba de calor?
La bomba de calor es una máquina que consta de un circuito cerrado por el que circula un gas refrigerante, capaz de sustraer calor de un ambiente para cederlo a otro. por el calor latente de evaporación y condensación y por la acción del compresor (recordar que no existen máquinas que produzcan frío sino sólo las que sustraen calor).
En verano, extrae el calor del interior de la estancia a través del evaporador y lo cede al exterior a través del condensador, provocando un descenso de la temperatura.
En invierno la situación se invierte, el evaporador se convierte en condensador y viceversa a través de una válvula (cuatro vías), por lo tanto habrá una sustracción de calor del exterior que se liberará al ambiente, provocando un aumento de temperatura (ver : Circuito de refrigeración: conceptos básicos).
Coeficiente de rendimiento
Esta transferencia de energía hace que la bomba de calor multiplique la energía eléctrica utilizada por el sistema, dando como resultado un coeficiente de rendimiento (COP - Coficient of Performance) superior a uno.
Gracias a su alto COP, esta tecnología es, por lo tanto, la solución ideal capaz de conciliar los costos y el consumo de energía y la sostenibilidad ambiental. Cada kW absorbido por la máquina suministra alrededor de 3,5 al medio ambiente (con un COP igual a 3,5).
- compressore
- condensador
- evaporador
- válvula de expansión (laminadora)
- válvula de cuatro vías
La válvula de cuatro vías permite que el evaporador y el condensador intercambien papeles para que en invierno el condensador se coloque en el interior del ambiente, cediéndole el calor tomado del exterior por el evaporador. Por el contrario, en verano, el condensador cede calor al exterior si el evaporador extrae calor del interior al ambiente.
Hay varias variedades de bombas de calor que difieren entre sí en la forma en que se intercambian los fluidos.
1 - Bombas de calor aire-agua
Es el más común para los usuarios domésticos. Como fuente de energía se utiliza el aire exterior. El calor absorbido del aire exterior por el evaporador se transfiere al agua del circuito de calefacción.
La temperatura exterior óptima para el funcionamiento normal del sistema no debe ser inferior a 2 ÷ 4 °C.
Por debajo de esta temperatura notará variaciones en el rendimiento de la máquina proporcionales a la temperatura misma. Cuanto más baja sea la temperatura exterior, menor será el rendimiento aceptable de la máquina.
- bomba de calor
- kit hidrónico
- depósito de agua caliente sanitaria
- suelo radiante
- radiadores
Los fabricantes ofrecen este tipo de máquina en varias configuraciones.
A nivel de planta, existen modelos monobloc y split que también se pueden suministrar con almacenaje integrado. La configuración de máquina más utilizada es la partida ya que al estar equipada con un módulo hidrónico que se puede instalar en la pared interior de la vivienda, permite minimizar la parte exterior.
En términos de desempeño, existen modelos estándar, para climas severos y para agua a alta temperatura.
2 - Bombas de calor agua-agua
El agua se utiliza como fuente de energía. Se puede utilizar la procedente de pozos o de aguas subterráneas.
El agua mantiene una temperatura estable durante todo el año (su temperatura siempre está muy por encima de los 4°C).
Esto implica mantener un excelente rendimiento operativo de la máquina en cualquier época del año.
- acuífero (o pozo)
- bomba de calor
3 - Bombas de calor geotérmicas
Otro sistema de intercambio de calor son las sondas geotérmicas. El suelo tiene su propio calor incluso en invierno.
Mediante sondas geotérmicas colocadas en profundidad es posible captar este calor y luego transferirlo al agua del circuito de calefacción (obviamente a través de la bomba de calor).
- suelo radiante
- tanque de almacenamiento
- bomba de calor
- sonda geotérmica
que coche elegir
Para elegir la máquina más adecuada a sus necesidades, se deben tener en cuenta las siguientes valoraciones: tipo, configuración, tamaño e instalación.
1 - Tipología
La elección del tipo de máquina que mejor se adapta a sus necesidades recae más en la temperatura a la que deberá funcionar, es decir, la temperatura de impulsión requerida por los terminales del sistema del circuito de calefacción.
Hay máquinas que funcionan a bajas o altas temperaturas en el mercado. La selección puede hacerse sobre la base del siguiente esquema:
1 - Radiador 2 - Fancoil 3 - Sistema radiante
Temperatura de funcionamiento 65 °C Temperatura de funcionamiento 50 °C Temperatura de funcionamiento 35 °C
Máquina alta temperatura Máquina estándar o climas fríos Máquina estándar o climas fríos
Máquinas de alta temperatura
Se puede utilizar para sustituir la caldera en viviendas equipadas con radiadores con una temperatura de funcionamiento de unos 65 °C. Permiten mantener la distribución y los terminales del sistema sin cambios. Estas máquinas son capaces de producir agua caliente hasta 65°C. El COP alcanzado es bastante alto. Llegan a funcionar con temperaturas del aire exterior de hasta -15°C.
Máquinas estándar
Se puede utilizar en instalaciones nuevas y para viviendas de bajo consumo energético. Son capaces de producir agua caliente hasta 55°C alcanzando altos valores de COP.
Aunque son capaces de producir calor con temperaturas del aire exterior de hasta -20 °C, en el caso de temperaturas de diseño rígido hay que comprobar el rendimiento ya que por debajo de los 2 °C estas máquinas sufren una importante disminución del rendimiento de la potencia realmente entregada.
Máquinas para clima frío
Se puede utilizar en ambientes muy fríos. Son la opción ideal para asegurar que la capacidad calorífica se mantiene incluso a temperaturas muy bajas.
Estas máquinas son capaces de producir calor con temperaturas del aire exterior de hasta -28 °C.
Con una temperatura exterior de -20 °C, mantienen constante la potencia realmente entregada sin necesidad de sobrecalentador eléctrico adicional.
2 - Configuración
Para satisfacer todas las necesidades de ingeniería e instalación de las plantas, las bombas de calor se fabrican con diferentes configuraciones: monobloque, split y torre, también denominadas “Todo en uno”.
- Monobloque:
es el más simple y menos invasivo de instalar. Es un equipo único que debe instalarse en el exterior de la vivienda, no requiere la creación de conexiones en el circuito de gas por lo que llega ya completo y probado por el fabricante, facilitando la instalación.
Un inconveniente a tener en cuenta es el de tener que realizar las conexiones de las tuberías de impulsión y retorno del agua caliente al exterior de la vivienda. En la temporada de invierno, se deben tomar precauciones para evitar la formación de hielo cuando la máquina no está operativa.
También se podrían utilizar cables calefactores que, sin embargo, disminuyen el rendimiento de la máquina ya que se suman al consumo eléctrico de la vivienda.
- Separar:
es el más extendido entre los disponibles. Equipado con un compresor para instalar en el exterior de la vivienda y un módulo hidrónico para instalar en el interior.
El módulo hidrónico interno contiene la parte de condensación del refrigerante y la impulsión del agua caliente por lo que no genera ningún ruido al no tener compresor.
También se reducen las dimensiones, permitiendo su instalación en los espacios que antes ocupaba la caldera. En este caso, sin embargo, el instalador deberá realizar las conexiones de ida y retorno del circuito frigorífico entre las unidades interior y exterior.
A - unidad condensadora para bomba de calor
B - módulo hidrónico
1 ÷ 2 - flujo de gas refrigerante - tubo de retorno
3 - tubería de impulsión de agua caliente de la instalación y del usuario (invierno)
4 - tubería de retorno de agua caliente de la instalación y del usuario (invierno)
Para completar los dos sistemas, en el mercado existen soluciones completas para todo: grupo condensador, módulo hidrónico, volante térmico (ver cómo calcular un depósito de inercia) y acumulador de agua caliente sanitaria (ACS).
Esta solución supone un considerable ahorro en los tiempos de implementación y una baja posibilidad de cometer errores de instalación.
3 - Tamaño
¿Qué tamaño debe tener la máquina?
Cálculo de la potencia calorífica nominal
La bomba de calor debe reintegrar la energía térmica dispersada por el complejo para mantener constante la temperatura interior.
A continuación se indican tres métodos que pueden ser de ayuda para calcular el tamaño de máquina más adecuado a las necesidades de cada uno, incluso por parte de aquellos que no están realmente en el sector.
1 - Primer método
Es necesario tener datos precisos para hacer el cálculo.
Comienza con el requerimiento anual de energía térmica para el aire acondicionado en invierno.
- ETH - Necesidad anual de energía térmica para la climatización en invierno: la energía térmica requerida, durante la temporada de calefacción, para la climatización en invierno. Disponible en el Certificado de Eficiencia Energética (APE).
- S - Superficie útil: la superficie transitable neta de los ambientes calefaccionados del edificio neta de tabiques y paredes exteriores, incluidos los umbrales de las puertas y los espacios debajo de los terminales del sistema. Disponible en los datos del proyecto de la casa.
- gg - Grados día: la suma de solo las diferencias positivas entre la temperatura interna fijada convencionalmente en 20 ° C con respecto a la externa, durante un período de calefacción invernal establecido en función de la zona climática del lugar mismo. Disponible en el Anexo A del Decreto Presidencial 412/93 y revisiones posteriores (ver Zonas climáticas e Datos indicativos del país).
- TEST - Temperatura exterior de diseño (T2): la temperatura exterior mínima a la que el generador de calor suministra la energía térmica, pero suficiente para garantizar que la temperatura interior permanece estacionaria. Los datos están disponibles consultando la norma UNI 5364 y sucesivas revisiones o la norma UNI 10339 (ver Temperaturas externas del proyecto).
- h - Horas de funcionamiento diarias: las horas máximas de funcionamiento diario de la calefacción (ver Zonas climáticas).
Una vez obtenidos estos datos, es posible calcular la potencia calorífica nominal de la máquina mediante la siguiente fórmula:
donde:
Ptn = Potencia calorífica nominal de la máquina en kW
ETH = Requerimiento anual de energía térmica para aire acondicionado en invierno
S = Superficie útil en m2
T1 = Temperatura interna en °C
T2 = Temperatura exterior en °C
gg = Grados día
h = Horas de operación por día.
Tomemos un ejemplo.
- País = Roma (zona climática D)
- Grados día = 1415
- Temperatura exterior de diseño = 0 °C
- Superficie útil = 90 m2
- ET = 75
- h = 12
Aplicando la fórmula:
Por tanto la potencia útil nominal de la máquina es igual a 7,95 kW
Tomemos otro ejemplo:
- País = Milán (zona climática E)
- Grados día = 2404
- Temperatura exterior de diseño = -5 °C
- Superficie útil = 90 m2
- ET = 75
- h = 16
Aplicando la fórmula:
Aunque a algunos les pueda parecer extraño, analizando los datos, se nota que la potencia térmica que debe utilizar la bomba de calor para mantener unos valores de temperatura óptimos para un mismo tipo de ambientes en dos ciudades con temperaturas diferentes, en Roma es igual a 7,95, 4,39 kW, mientras que en Milán es igual a XNUMX kW.
Para ver: "Dimensionamiento bomba de calor - método"
2 - Segundo método
Es posible calcular el requerimiento anual de energía térmica para climatización de invierno (ETH) teniendo en cuenta los datos de consumo indicados en la factura de gas.
Para realizar esta operación se debe disponer de consumos de gas de al menos los últimos 4 años consecutivos para poder obtener un consumo medio fiable.
Se puede aplicar la siguiente fórmula:
donde:
ETH = Requerimiento anual de energía térmica para aire acondicionado en invierno
C = consumo de gas expresado en mXNUMX3 (metro cúbico estándar)
Q = potencia obtenida por mXNUMX3 (metro cúbico estándar) de gas (9,6 kWh para metano y 24,5 kWh para GLP).
- nota: el GLP generalmente se compra en litros. Tiene un poder calorífico inferior de 12.790 W/kg - 6.500 W/litro y 24.500 W/sm3
η = rendimiento de la caldera (0,82 cámara abierta - 0,86 cámara sellada - 0,97 condensación).
N = es el número de usuarios para el consumo de ACS
500 = consumo anual de energía per cápita para la producción de ACS (agua caliente sanitaria) expresado en kWh
S = superficie útil: superficie neta transitable de las estancias climatizadas del edificio.
Tomemos un ejemplo.
C = 833 cm3
Q = 10,5kW/h
h = 0,97
N = 4 personas
ACS = consumo 500 kW/h
S = 90 metros2
Aplicando la fórmula:
Con el valor ETH así calculado es posible, utilizando el método anterior, volver a la potencia calorífica nominal (P.tn) de la máquina expresado en kW.
Para ver: "Dimensionamiento bomba de calor - método"
3 - Tercer método
Método que tiene en cuenta los factores ambientales dando como respuesta el requerimiento térmico necesario para cada ambiente.
Más costoso que los métodos anteriores pero, en nuestra humilde opinión, el más confiable y que indica extremadamente el requerimiento de calor dividido para cada ambiente.
Los tiempos para calentar una habitación se acortan, la velocidad establecida se alcanza primero pero esto obviamente implica una carga mayor.
El valor solicitado debe ingresarse en cada celda individual. Es necesario ingresar las dimensiones reales en ancho, largo y alto de cada habitación individual, la exposición cardinal, el tipo de construcción, la temperatura exterior. Los resultados se pueden solicitar en las unidades de medida indicadas.
Al ingresar el COP (Coeficiente de rendimiento) también es posible rastrear el consumo eléctrico en kW.
El COP es un coeficiente de rendimiento e indica la calidad de la máquina. Cuanto mayor sea su valor, más alto rendimiento proporcionará la máquina. Es decir, si el COP es igual a 3.5, por cada kW de energía absorbida por la máquina, ésta aportará al ambiente una energía térmica igual a 3,5 kW de los cuales 1 kW de energía eléctrica consumida y 2,5 kW tomados del ambiente exterior.
Las clases de eficiencia energética según bombas de calor están indicadas en la directiva europea 2002/31/CE.
Para ver: "Dimensionamiento bomba de calor - calculadora"
3 - instalación
Producción de ACS
Las bombas de calor para clima frío y estándar están diseñadas para funcionar con refrigerantes como R410 o R32 (ver "Relación de presión de temperatura del refrigerante") para los de última generación. Son capaces de producir agua caliente hasta 55 °C y también se pueden utilizar para la producción de agua caliente sanitaria. Debido a la temperatura por debajo de los 60 °C no son capaces de realizar los ciclos de desinfección térmica necesarios para evitar la posible formación de colonias bacterianas (legionella).
Es aconsejable utilizarlos únicamente para calefacción y/o refrigeración (en el caso de una máquina reversible), dejando la producción de ACS a un equipo independiente más específico, por ejemplo un calentador de agua con bomba de calor que, gracias al uso de R134a refrigerante es capaz de llevar a cabo los ciclos de desinfección.
Si por el contrario se dispone de una máquina para la producción de agua a alta temperatura que funcione con refrigerante R407C (o con una máquina específica para calefacción y producción de ACS mediante una segunda etapa de compresión con R134a), entonces es posible y conveniente para mantener toda la producción de calor dentro de una misma unidad.
Acumulación volante térmico
Aunque la bomba de calor sea una máquina moduladora, siempre es recomendable introducir en el circuito un acumulador de compensación de carga térmica (depósito de inercia o volante térmico) por las siguientes razones:
- asegura condiciones óptimas de funcionamiento de la bomba de calor optimizando los ciclos de parada - arranque (encendido - apagado) del compresor con la consiguiente reducción del consumo.
- permite la conexión entre diferentes circuitos de calefacción.
- permite el desacoplamiento hidráulico entre la bomba de calor y el sistema para que los dos circuitos puedan operar con el caudal y diferencial de temperatura más adecuados. Las bombas de calor suelen funcionar con DT = 5 °C mientras que, en función de los terminales del sistema presentes, el circuito de distribución podría funcionar con DT incluso superiores.
Si la máquina está equipada con un compresor scroll (on - off), el almacenamiento inercial es obligatorio. El dimensionamiento típico del volumen de almacenamiento se puede obtener directamente del "Cálculo de tanque inercial”Y es un mínimo de 5.5 litros por kW de salida de calor que puede suministrar la máquina.
Vaso de expansión
El vaso de expansión es un "pulmón" que está conectado al sistema de agua; sirve para soportar la variación de volumen provocada por el calentamiento/enfriamiento del agua dentro del sistema (ver "Masa y volumen de agua.". Esto elimina problemas desagradables debidos a aumentos repentinos de presión tales como: apertura de las válvulas de seguridad o rotura de juntas y tuberías de distribución.
Para dimensionar un vaso de expansión, consulte el programa: "Cálculo del volumen del vaso de expansión..
Para conocer los litros de agua que circulan dentro del sistema, consulte el programa: "Cálculo del volumen de agua del sistema..
Fuente de alimentación
Para la parte eléctrica del sistema, para diseñar las líneas eléctricas, puedes usar el programa: Dimensionamiento de cables eléctricos - calculadora.
Para decidir si adoptar un sistema monofásico o trifásico, consulte el siguiente programa: Cálculo de potencia y corrientes de motor.
Otros programas gratuitos del mismo tipo que ofrece itieffe ▼
- Aire acondicionado
- Conductos de aire
- Sistemas de ventilación
- Aires acondicionados autónomos
- Tablas psicrométricas
- Mesas de aire acondicionado
- Calidad del aire
- Acondicionamiento de diagramas y dibujos