Evaluación técnica y económica de bombas de calor asistidas por energía solar en expansión directa, para producción de agua caliente sanitaria

Abstract

En la necesidad de encontrar nuevos sistemas para producir calor que no utilicen combustibles fósiles, las bombas de calor han adquirido una gran relevancia, debido a que estos equipos al no generar calor sino transportarlo desde un medio a otro, no requiere de combustibles fósiles para generar calor, además, presentan un alto desempeño. Con la finalidad de adquirir la mayor cantidad de energía se han investigado distintos tipos de bombas de calor, los cuales se diferencian principalmente en la fuente de energía que utilizan. En este contexto, el objetivo de la presente memoria fue evaluar y comparar en términos técnicos y económicos el efecto de cambiar el evaporador de una bomba de calor, para esto se estudia dos tipos de bombas de calor; una bomba de calor asistida por aire y una asistida por radiación solar. Dentro de la literatura, se han investigado extensamente estos tipos de sistemas, tanto a nivel del ciclo de compresión de vapor como la modelación de los distintos componentes de la bomba de calor. Sin embargo, no se han observado investigaciones que analicen el efecto de reemplazar el evaporador de bomba de calor asistida por aire por colectores solares en expansión directa. Este trabajo busca contribuir al estudio de las bombas de calor asistidas por radiación en Chile. Los modelos de las bombas de calor fueron desarrollados utilizando el programa EES, en donde se obtuvo el comportamiento bajo distintas condiciones atmosféricas. Para obtener el comportamiento de estos sistemas durante un año en las localidades de Santiago y Coyhaique se programa en Python dos árboles de decisiones, los cuales utilizan los datos obtenidos de las simulaciones para arrojar los parámetros de funcionamiento de cada sistema. Los resultados muestran que algunas configuraciones de bombas de calor con colectores solar presentan un mayor desempeño que la bomba de calor asistida por aire tanto en Santiago como en Coyhaique, sin embargo, se observó que ninguna configuración logra entregar la misma cantidad de energía que la bomba de calor asistida por aire, por lo que se reduce la demanda a 3/4. Bajo esta nueva demanda, la bomba de calor con 25 colectores es el sistema óptimo en Santiago, mientras que la bomba de calor con 50 colectores presenta un mayor beneficio que la bomba de calor asistida por aire en Coyhaique. Se concluye que los sistemas de bombas de calor con 10, 20 y 25 colectores se adaptan mejor a climas cálidos como el de Santiago, mientras que las configuraciones con 30, 40 y 50 colectores funcionan mejor en climas fríos como en Coyhaique. Por otro lado, se concluye que el reemplazo del evaporador por colectores solares en expansión directa conlleva a un aumento en la energía que entrega la bomba de calor junto con una disminución del consumido energético del sistema. Sin embargo, este reemplazo afecta principalmente al compresor, ya que se tiene que las condiciones de entrada del compresor varían considerablemente, por lo que el compresor presenta problemas en su funcionamiento debido a estas fluctuaciones.