La integración de bombas de calor en sistemas de calefacción distrital solar mejora la eficiencia del sistema y reduce la dependencia de las calderas de gas, lo que disminuye las emisiones de carbono.
Investigación del efecto impulsor de las bombas de calor en sistemas de calefacción distrital solar
Durante una reciente reunión en Suecia en octubre, los expertos en calefacción distrital del Programa IEA SHC discutieron el impacto de la integración de bombas de calor en sistemas de calefacción distrital solar, tanto con como sin almacenamiento estacional. Jianhua Fan, del Technical University of Denmark (DTU), analizó los datos de monitoreo de la planta de calefacción distrital de Ørum, Dinamarca. Investigadores de la Unidad de Edificación Energéticamente Eficiente de la Universidad de Innsbruck utilizaron el modelo de almacenamiento estacional COMSOL para cuantificar el potencial de reducción de emisiones en los sistemas híbridos de calefacción distrital solar. Estos investigadores participan en la Tarea 68 de la IEA SHC sobre Sistemas de Calefacción Distrital Solar Eficiente.
El sistema de calefacción distrital en Ørum es un buen ejemplo para analizar el impacto de una bomba de calor. En febrero de 2021, se instaló una bomba de calor aire-agua de 2,5 MW en un sistema que ya contaba con un campo de colectores solares de placas planas de 6.355 m² y un tanque de almacenamiento de 1.000 m³. Se dispone de datos detallados de monitoreo para los tres años comprendidos entre 2020 y 2022.
Beneficios del economizador de la bomba de calor
La bomba de calor funciona en paralelo con el campo de colectores solares y tiene una característica especial: un economizador que mejora la eficiencia global al precalentar el fluido de trabajo antes de que entre en el evaporador. En el caso de Ørum, el economizador utiliza el calor residual de la parte inferior del tanque de almacenamiento solar que no puede ser utilizado en la red de calefacción distrital. Esto enfría la parte inferior del tanque, de donde se envía agua al campo de colectores. Jianhua Fan, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Civil y Mecánica del DTU, explicó que se analizaron las horas con el economizador activado y desactivado para evaluar su influencia en el rendimiento general del sistema híbrido de calefacción distrital.
El economizador tiene varios impactos positivos en el sistema de calefacción distrital solar:
- La fracción solar aumentó del 23,8 % sin la bomba de calor en 2020 al 25,9 % con la bomba de calor en 2022.
- Debido al enfriamiento por el economizador, la capacidad máxima utilizable del tanque aumentó de 80 MWh a aproximadamente 95 MWh.
- El economizador también incrementó ligeramente el coeficiente de rendimiento de la bomba de calor de 3,33 a 3,53.
Fan llegó a una conclusión positiva: «La bomba de calor ha aumentado la flexibilidad del sistema y ha reducido la dependencia de la caldera de gas». El campo de colectores y la bomba de calor cubrieron más del 70 % de la demanda anual de calor en 2021 y 2022. El calor generado por la caldera de gas disminuyó de 9.936 MWh en 2020 a 2.432 MWh en 2022. Además, la bomba de calor redujo las emisiones de carbono al consumir el exceso de energía eólica.
Las bombas de calor permiten una mejor descarga del almacenamiento estacional
Los investigadores de la Universidad de Innsbruck utilizaron un modelo de almacenamiento en 2D con COMSOL para comprender mejor el impacto de los sistemas de almacenamiento térmico enterrados acoplados a bombas de calor en sistemas de calefacción distrital solar. COMSOL permite investigar diferentes geometrías de almacenamiento estacional y el impacto de la envolvente (es decir, el aislamiento térmico) y las propiedades del suelo en términos de pérdidas de calor.
Los científicos compararon dos modelos de almacenamiento diferentes: un tanque cilíndrico y una fosa poco profunda. Las grandes diferencias de temperatura entre el agua de almacenamiento y las condiciones ambientales externas resultan en altas pérdidas térmicas, lo que afecta tanto el rendimiento del almacenamiento como la calidad de las condiciones del suelo local. En la mayoría de los sistemas de almacenamiento térmico subterráneos existentes, la cubierta es el único elemento aislado de la envolvente, pero varias publicaciones muestran que el aislamiento de las paredes laterales y del fondo del almacenamiento es esencial para reducir las pérdidas térmicas y evitar aumentos excesivos en la temperatura del suelo.
En sus simulaciones, el almacenamiento estacional con la bomba de calor opera en paralelo a la fuente principal de calor. «Nuestras simulaciones mostraron que la descarga profunda del tanque de almacenamiento estacional por una bomba de calor tiene un impacto importante en el rendimiento del tanque de almacenamiento y en todo el sistema de calefacción distrital, ya que puede aumentar la eficiencia del almacenamiento, reducir la temperatura del suelo circundante y reducir el uso de plantas de respaldo, que generalmente son de gas, para cubrir la demanda máxima invernal», afirmó Alice Tosatto, de la Universidad de Innsbruck.
Escenarios de emisiones de CO2 y rendimiento del almacenamiento
Además del análisis energético del almacenamiento como componente, los autores presentaron un estudio sobre los posibles escenarios de emisiones de CO2 para los sistemas de calefacción distrital analizados. Se consideraron dos escenarios posibles: uno sin almacenamiento térmico, donde el pico invernal es cubierto por calderas de gas, y otro con almacenamiento térmico acoplado a una bomba de calor. En este segundo caso, el ahorro de gas para las calderas de respaldo debe compensarse con la demanda adicional de electricidad para operar la bomba de calor. La capacidad de la bomba de calor y el grado de su uso juegan un papel importante en las emisiones relacionadas con la electricidad. Cuanto más se use la bomba de calor, más energía eléctrica se requiere y mayores serán las emisiones de CO2 asociadas. Sin embargo, las emisiones totales de CO2 son menores gracias a la reducción del uso de las calderas de gas.
En las simulaciones, se utilizaron factores mensuales de emisión de CO2 para el gas y la electricidad de la red. Los resultados demostraron varios efectos positivos de las bombas de calor en los sistemas de calefacción distrital solar:
- La eficiencia del tanque de almacenamiento aumentó en un 6 % (del 87 %) en comparación con el caso de referencia sin bomba de calor para un tanque de almacenamiento cilíndrico aislado y en un 16 % (del 64 %) para una fosa de almacenamiento de calor aislada.
- Debido a la mejor descarga del almacenamiento, la utilización de la capacidad máxima ideal de almacenamiento aumentó si también se incrementaba la energía de carga.
- La temperatura del suelo cerca del almacenamiento de calor en fosa es, en promedio, 5 K más baja que en el caso de referencia sin bomba de calor, a una profundidad de entre 7 y 15 m.
- Las emisiones generales de CO2 disminuyeron en un 33 % para el tanque cilíndrico y en un 29 % para la fosa de almacenamiento solo con el almacenamiento estacional. Con la integración de una bomba de calor de 6 MW, las emisiones se redujeron en un 65 % para el tanque cilíndrico y en un 57 % para la fosa.
Este estudio subraya el papel fundamental que las bombas de calor y el almacenamiento estacional pueden desempeñar en la transición energética global, al mejorar la eficiencia de los sistemas de calefacción distrital solar y reducir las emisiones de carbono.
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