En febrero de este año se lanzó el módulo de bomba de calor en la versión GHEtool Cloud. Este mes se ha publicado la primera gran actualización, que te ofrece la posibilidad de definir tu propia bomba de calor, así como de especificar la temperatura de emisión al edificio.
Bombas de calor en GHEtool
A la hora de diseñar campos de perforaciones geotérmicas de poca profundidad, es importante conocer la carga real de inyección y extracción en el campo de perforaciones. Históricamente, esto se ha obtenido teniendo en cuenta, por un lado, la carga del edificio y, por otro, suponiendo una eficiencia estacional constante (o SCOP) para la bomba de calor, con el fin de convertirla en una carga del suelo. Tal y como señalamos en nuestro artículo de finales del año pasado (que puedes encontrar aquí), lo que plantea tres problemas:
- Normalmente se subestima la eficiencia estacional, ya que la temperatura media del fluido es superior a la ‘B0’ que figura en las fichas técnicas.
- La potencia máxima en el campo de perforación se sobreestima, ya que la eficiencia estacional suele ser superior a la eficiencia instantánea.
- Tu eficiencia, al tratarse de un factor de entrada, es independiente de tu diseño, lo cual va en contra de lo que sugiere la intuición.
Por estas tres razones, hemos lanzado el módulo de bomba de calor en GHEtool Cloud (lee el artículo aquí) el pasado mes de febrero. Gracias a la colaboración con los fabricantes de bombas de calor, hemos podido crear gemelos digitales detallados de sus máquinas, que pueden utilizarse para simular el campo de perforación. Esto no solo le ofrece resultados más precisos, sino también una imagen más realista del rendimiento real de su sistema.
Aunque este cambio ha tenido una gran acogida, la principal sugerencia que hemos recibido ha sido la petición de una opción para definir tus propias bombas de calor, que es lo que vamos a lanzar hoy.
Eficiencia de una bomba de calor
Para comprender el modelo de las bombas de calor definidas por el usuario en GHEtool, es importante conocer la eficiencia teórica de la bomba de calor: la eficiencia de Carnot. En primer lugar se abordará este tema y, a continuación, se explicará el modelo simplificado de la bomba de calor.
Eficiencia de Carnot
La parte de la ecuación denominada $T_H-T_L$ también se conoce como ‘diferencial de temperatura’, ya que se trata, literalmente, de la diferencia de temperatura entre el lado frío y el lado caliente de la bomba de calor, y desempeña un papel fundamental en la eficiencia global de tu máquina. Cuanto mayor sea este aumento de temperatura, menor será la eficiencia global.
¡Atención!
Esta es precisamente la razón por la que los sistemas de emisión a baja temperatura, como la calefacción por suelo radiante, combinan tan bien con una bomba de calor. Debido a que requieren temperaturas bajas (a menudo 35 °C o incluso menos), el aumento de temperatura es bastante mínimo, lo que se traduce en una eficiencia muy alta en comparación con los sistemas con una temperatura de emisión de 55 °C, como, por ejemplo, algunos radiadores.
Todas las bombas de calor, tanto las geotérmicas como las aerotérmicas, ya sean modulantes o de velocidad fija, tienen esta misma eficiencia máxima subyacente, razón por la cual se utiliza como pilar fundamental de nuestro modelo simplificado de bomba de calor.
Modelo simplificado
La clave del modelo simplificado de la bomba de calor radica en que, para cada combinación de temperaturas del evaporador y el condensador, se conoce la eficiencia máxima teórica a partir de la fórmula mencionada anteriormente. Sin embargo, necesitamos una forma de convertir este valor en la eficiencia real, lo cual se consigue con la ayuda de un factor de corrección cuadrático.
Utilizando al menos tres puntos (aunque cuantos más se utilicen, más preciso será el ajuste), se puede cuantificar la diferencia entre la eficiencia teórica y la real, tal y como se muestra a continuación.
En la figura anterior, las eficiencias esperadas se muestran tanto como puntos rojos (para la eficiencia real, tal y como figura en la ficha técnica de tu bomba de calor) como triángulos naranjas, que representan la eficiencia teórica. Si se divide la primera por la segunda, se obtiene una correlación cuadrática que cuantifica la diferencia entre la eficiencia teórica —siempre conocida— y la eficiencia real.
¡Atención!
Este modelo simplificado solo funciona para bombas de calor de velocidad fija y sin modulación. Para modelar con precisión el comportamiento a carga parcial, se necesitan muchos más puntos de datos, lo que hace que el modelo no sea viable. Seguimos trabajando en el desarrollo de un modelo similar y simplificado también para bombas de calor con modulación.
Cómo definir tu propia bomba de calor en GHEtool Cloud
En GHEtool, en la pestaña ‘demanda térmica’, tienes la opción de seleccionar una bomba de calor de nuestra base de datos. Antes, todas estaban predefinidas, pero ahora existe la posibilidad de crear tus propias bombas de calor.
¡Atención!
Solo es posible trabajar directamente con una bomba de calor cuando se utiliza un perfil de carga por horas. Cuando este no esté disponible, se puede crear un perfil de carga estimado en GHEtool, tal y como se ha explicado aquí.Nota
Todas las bombas de calor que definas en GHEtool también estarán disponibles en tus otros proyectos, lo que te ahorrará bastante tiempo a la hora de volver a definir los equipos.
Al añadir (o editar) una bomba de calor definida por el usuario, siempre es necesario introducir la siguiente información (tal y como se muestra en la figura siguiente).
- El nombre con el que aparecerá tu bomba de calor en el informe y en los demás proyectos.
- La diferencia mínima de temperatura entre el evaporador y el condensador, que puede variar de una bomba de calor a otra.
- Las temperaturas mínima y máxima del condensador, para determinar el rango de funcionamiento de tu máquina.
- La diferencia de temperatura entre la entrada y la salida tanto del evaporador como del condensador. Este dato es necesario, ya que la eficiencia de las bombas de calor suele definirse como Bx/Wy, donde x se define como el evaporador entrada la temperatura y y como condensador tienda de rebajas temperatura. Para poder trabajar con las temperaturas medias del fluido, es necesario conocer la diferencia de temperatura.
Además de esta información general, deben proporcionarse al menos tres condiciones de funcionamiento diferentes y únicas. Para cada condición, deben indicarse la temperatura de entrada del evaporador, la temperatura de salida del condensador, el rendimiento y la potencia disponible. A partir de estos datos, se puede definir la correlación.
Nota
Cuando la bomba de calor también se utiliza para la refrigeración activa, no es necesario introducir estos datos por separado, ya que tanto la eficiencia en calefacción (COP) como la eficiencia en refrigeración (EER) están relacionadas termodinámicamente entre sí. Por eso, definir la bomba de calor utilizando únicamente los valores correspondientes al funcionamiento en modo calefacción proporcionará información suficiente para cubrir también la refrigeración activa.
Efecto de la temperatura de emisión
Para mostrar el efecto de la temperatura de emisión sobre la eficiencia de la bomba de calor, analicemos la siguiente simulación con nuestra bomba de calor definida por nosotros mismos y una temperatura de emisión de 35 °C.
En este caso, el valor medio de SCOP durante un periodo de simulación de 20 años es de 4,66. Cuando la temperatura de emisión se eleva a 45 °C, el gráfico cambia y la eficiencia global desciende a 4,15. Esto se debe simplemente a que, al aumentar la temperatura, la eficiencia disminuye, lo que ilustra la importancia de mantener una temperatura de emisión lo más baja posible.
Nota
Cuando utilizas tu bomba de calor para la refrigeración activa, existe una posibilidad real de que acabes obteniendo una eficiencia constante y uniforme, incluso cuando hay un desequilibrio en el que predomina la extracción. Esto puede deberse a la temperatura mínima del condensador y/o a la elevación mínima. Si, por ejemplo, dispone de una bomba de calor con una temperatura mínima del condensador de 25 °C y la temperatura de su fluido desciende por debajo de esos 25 °C, esto no se traducirá en un aumento de la eficiencia de refrigeración, ya que la bomba de calor seguirá produciendo 25 °C de todos modos.
¿Y ahora qué?
Esta actualización ha supuesto la primera gran actualización del módulo de bomba de calor en GHEtool, pero sin duda no será la última. A continuación se detallan dos futuras actualizaciones en las que ya estamos trabajando.
- Como ya se ha dicho, el modelo simplificado actual solo funciona con bombas de calor de velocidad fija. Estamos investigando un modelo similar que también permita simular bombas de calor a carga parcial, manteniendo al mismo tiempo el mismo bajo nivel de complejidad.
- Actualmente, la temperatura de emisión hacia el edificio es constante; sin embargo, en la realidad, esta temperatura suele depender de la temperatura exterior: una curva de calefacción. En una futura actualización, se implementará esta función, lo que mejorará aún más la eficiencia real de la bomba de calor geotérmica.
Conclusión
En este artículo se describe la última actualización del módulo de bomba de calor de GHEtool Cloud. A partir de ahora, es posible definir una bomba de calor de velocidad fija personalizada y especificar la temperatura de salida para la calefacción, el agua caliente sanitaria y la refrigeración activa.
En el futuro, este módulo se ampliará aún más para incluir una opción de curva de calefacción, así como una ampliación del modelo simplificado actual para dar respuesta a las bombas de calor modulantes.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.