Rendimiento de bombas de calor trabajando con varios refrigerantes para la producci�n de agua caliente sanitaria

Performance of heat pumps working with various refrigerants for the production of domestic hot water

Desempenho de bombas de calor a trabalhar com v�rios refrigerantes para a produ��o de �gua quente sanit�ria

Daniela V�sconez-N��ez ^I daniela@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-1898-9529

Jhonatan Su�rez-Espinosa ^II jonathan@gmail.com https://orcid.org/0009-0004-0062-7150

Fernando Tello-Oquendo ^III fernando.tello@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-2551-9648

Correspondencia: fernando.tello@espoch.edu.ec Ciencias T�cnicas y Aplicadas.

Art�culo de Investigaci�n.

*Recibido: 29 de enero de 2023 *Aceptado: 21 de febrero de 2023 * Publicado: 28 de marzo de 2023

I.             Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Industrial, Grupo GIDENM, Riobamba, Ecuador.

II.             Yanaoil Technologies, Francisco de Orellana, Ecuador.

III.             Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Automotriz, Grupo GIDENM, Riobamba, Ecuador.

http://polodelconocimiento.com/ojs/index.php/es

Resumen

El objetivo de este trabajo es comparar el rendimiento de bombas de calor trabajando con varios refrigerantes para la producci�n de agua caliente sanitaria (ACS). Los refrigerantes considerados fueron R-134a, R-290, R-410A, R-407C, R-513A, R-1234yf, R-454C, R-32. Primeramente, se

calcul� la demanda de ACS de agua caliente para una vivienda de 5 personas, posteriormente se estim� la potencia requerida en el condensador de la bomba de calor considerando una acumulaci�n del 30%. Luego de determinar el volumen del tanque de acumulaci�n de ACS, se dimensionaron los componentes de la bomba de calor y se seleccion� el modelo de compresor para cada refrigerante. Finalmente, estim� el rendimiento medio estacional para cada refrigerante bajo condiciones climatol�gicas de la ciudad de Riobamba, utilizando polinomios AHRI para determinar los par�metros de funcionamiento de la bomba de calor bajo diferentes condiciones de operaci�n. Los resultados, muestran que, considerando modelos comerciales de compresores para bombas de calor y bajo condiciones nominales de funcionamiento (Te=2.5�C, Tc=65�C), con el refrigerante R-290 se consigue un mayor COP y su SPF es el mejor de todos los refrigerantes analizados, siendo aproximadamente un 21% mejor que con el R-32.

Palabras Claves: Agua caliente sanitaria (ACS); Bombas de calor; Refrigerantes; Rendimiento medio estacional (SPF).

Abstract

The objective of this work is to compare the performance of heat pumps working with various refrigerants for the production of domestic hot water (ACS). The refrigerants considered were R- 134a, R-290, R-410A, R-407C, R-513A, R-1234yf, R-454C, R-32. Firstly, the demand for hot water ACS for a house with 5 people was calculated, then the power required in the heat pump condenser was estimated considering an accumulation of 30%. After determining the volume of the DHW accumulation tank, the components of the heat pump were sized and the compressor model was selected for each refrigerant. Finally, it estimated the seasonal mean performance for each refrigerant under climatic conditions of the city of Riobamba, using AHRI polynomials to determine the operating parameters of the heat pump under different operating conditions. The results show that, considering commercial models of compressors for heat pumps and under nominal operating conditions (Te=2.5�C, Tc=65�C), with the R-290 refrigerant a higher COP is

achieved and its SPF is the best of all. all refrigerants tested, being approximately 21% better than R-32.

Keywords: Sanitary hot water (ACS); heat pumps; refrigerants; Seasonal Mean Yield (SPF).

Resumo

O objetivo deste trabalho � comparar o desempenho de bombas de calor que funcionam com v�rios refrigerantes para a produ��o de �gua quente sanit�ria (ACS). Os refrigerantes considerados foram R-134a, R-290, R-410A, R-407C, R-513A, R-1234yf, R-454C, R-32. Primeiramente calculou-se a demanda de ACS de �gua quente para uma casa com 5 pessoas, depois estimou-se a pot�ncia necess�ria no condensador da bomba de calor considerando um ac�mulo de 30%. Ap�s a determina��o do volume do tanque de ac�mulo de AQS, dimensionaram-se os componentes da bomba de calor e selecionou-se o modelo de compressor para cada refrigerante. Por fim, estimou- se o desempenho m�dio sazonal de cada refrigerante nas condi��es clim�ticas da cidade de Riobamba, utilizando polin�mios AHRI para determinar os par�metros de opera��o da bomba de calor em diferentes condi��es de opera��o. Os resultados mostram que, considerando modelos comerciais de compressores para bombas de calor e em condi��es nominais de opera��o (Te=2,5�C, Tc=65�C), com o refrigerante R-290 consegue-se um COP mais alto e seu FPS � o melhor de todos. refrigerantes testados, sendo aproximadamente 21% melhor que o R-32.

Palavras-chave: �gua quente sanit�ria (ACS); bombas de calor; refrigerantes; Rendimento M�dio Sazonal (SPF).

Introducci�n

En Ecuador, el 13,9 % del total de la demanda de energ�a pertenece al sector residencial, de los cuales el consumo del gas licuado de petr�leo representa el 52,9%, la electricidad representa el 37,9%, le�a 9,2% y el gas natural el 0.1%, seg�n el Balance Energ�tico Nacional del 2021 [1]. En la Uni�n Europea el sector residencial representa alrededor del 40% del consumo global de energ�a final y el 30% de las emisiones directas de CO2 [2].

La producci�n de agua caliente sanitaria (ACS) es un componente crucial del consumo energ�tico residencial en el Ecuador, sobre todo en climas fr�os, donde la demanda de energ�a para calentar ACS va en aumento, as� como su efecto en el calentamiento global y el cambio clim�tico producto

de las emisiones de gases de efecto invernadero. En este contexto, la bomba de calor se ha convertido en una de las alternativas para reducir el consumo de energ�a para producir ACS, debido a su alta eficiencia energ�tica y su capacidad de producir calor. Esta tecnolog�a aprovecha la energ�a t�rmica del aire o agua exterior para calentar agua, lo que resulta en un ahorro significativo de energ�a y reducci�n de costos en comparaci�n con los sistemas de calentamiento de agua tradicionales.

La Figura 1 muestra el esquema del ciclo de compresi�n de vapor de la bomba de calor y el diagrama presi�n entalp�a. En la figura se ilustra los cuatro procesos b�sicos del ciclo termodin�mico de la bomba de calor. En el evaporador el refrigerante absorbe calor del aire exterior (proceso 4-1), consecuentemente, el refrigerante se evapora. Posteriormente, el vapor de refrigerante en comprimido en el compresor (proceso 1-2) desde la presi�n del evaporador (P1) hasta la presi�n del condensador (P2), en este proceso la bomba de calor consume energ�a el�ctrica para accionar el compresor. Seguidamente el vapor recalentado se condensa en el condensador (proceso 2-3) liberando calor hacia el agua que se pretende calentar. Finalmente, el refrigerante condensado entra en la v�lvula de expansi�n (proceso 3-4), en donde baja su presi�n y temperatura hasta el punto P4 a la entrada del evaporador, cerrando el ciclo termodin�mico.

a)�������������������������������������������������������������������������� b)

P

h

Fig. 1: a) Esquema del ciclo de compresi�n vapor de la bomba de calor. b) Diagrama P-h del ciclo de compresi�n de la bomba de calor. [3]

La ventaja energ�tica de la bomba de calor radica en que la energ�a que es capaz de liberar en el condensador (Q _C) es mayor a la energ�a consumida por el compresor (E ), a diferencia de un sistema de calentamiento en base a resistencias el�ctricas cuya energ�a liberada para calentar el agua es menor a la consumida.

Diversos estudios se han realizado en donde eval�an el uso de la bomba de calor para producir ACS o calefacci�n en edificios como una alternativa al uso de la electricidad. Dutz et al. [4] realiz� una evaluaci�n del rendimiento de una bomba de calor aire-agua que trabaja con R-134a, conectada a un acumulador t�rmico, mediante la modelaci�n del sistema utilizando Modelica. Los autores concluyeron que el dep�sito de agua juega un papel importante en el rendimiento del sistema, ya que es muy sensible a las condiciones de funcionamiento, como el caudal de extracci�n, la capacidad de funcionamiento de la bomba de calor o las p�rdidas t�rmicas, que provocan una mezcla y destrucci�n de la estratificaci�n t�rmica y una reducci�n de la energ�a disponible para el usuario final. Sarabia-Escriva et al. [5], compararon el comportamiento de diferentes sistemas de agua caliente sanitaria m�s representativos que utilizan en viviendas en Europa. El estudio evalu� el consumo energ�tico, las emisiones de CO2 equivalentes y el coste de cada sistema durante un periodo de vida de 15 a�os. El sistema de bomba de calor con fotovoltaica, considerando el autoconsumo, muestra el menor impacto ambiental en todas las zonas, pero no es una inversi�n atractiva en las zonas m�s fr�as debido a los precios m�s bajos del gas natural. Los sistemas solares t�rmicos tienen unos costes de adquisici�n y mantenimiento elevados que no compensan su ahorro energ�tico. Tello-Oquendo et al. [3] realizaron una comparaci�n del rendimiento de una bomba de calor con ciclo de compresi�n simple etapa y una bomba de calor con ciclo de compresi�n doble etapa con inyecci�n de vapor, para producci�n de agua caliente sanitaria. Los autores concluyeron que la bomba de calor doble etapa presenta mayor coeficiente de desempe�o (COP) para bajas temperaturas de evaporaci�n y altas temperaturas de salida de agua. Adem�s, el COP es mayor en 17.57% y 8.82% para temperaturas de salida de agua de 40 �C y 65 �C, respectivamente, evaporando a 0 �C, trabajando con el refrigerante R-407C.

Por otro lado, Masip X. et al. [6] realizaron una modelaci�n georreferenciada y evaluaci�n de potenciales comunidades energ�ticas de agua caliente sanitaria basadas en bombas de calor y

fotovoltaicas en 150 edificios residenciales de una ciudad mediterr�nea. Los resultados de su estudio indican que los ahorros econ�micos y de emisiones agregados del agua caliente sanitaria en el distrito pueden alcanzar hasta el 85% y el 73%, respectivamente, en el caso de las bombas de calor, y del 22% y el 23%, respectivamente, con los sistemas fotovoltaicos. Wang, S. et al.

[7] propusieron un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor aerot�rmica de condensaci�n en paralelo para el suministro de agua caliente sanitaria, con el fin de mejorar la eficiencia energ�tica; consideraron a la ciudad de Tomando Changsha (China) como ejemplo para su an�lisis, en funci�n del COP y el consumo energ�tico del sistema en cada mes. El COP medio en verano aumenta de 5,42 a 6,44, acerc�ndose al 19,00%; el COP medio en invierno aumenta de 4,05 a 5,45, acerc�ndose al 34,68%. Mateu-Royo et al. [8] analizaron te�ricamente el rendimiento energ�tico y la huella de carbono de la hidrofluoroolefina HFO-1234ze(E) y la mezcla R-515B como refrigerantes de bajo potencial de calentamiento global (GWP) para reemplazar el hidrofluorocarbono HFC-134a en diferentes aplicaciones de bombas de calor. El HFO-1234ze(E) y R-515B dan como resultado una capacidad calor�fica 25% inferior a la del HFC-134a, debido a una disminuci�n del calor latente de vaporizaci�n y de la densidad de succi�n. La diferencia de capacidad de calefacci�n entre el HFO-1234ze(E) y el R-515B se mantiene por debajo del 2 %. El COP de los refrigerantes alternativos de bajo GWP es comparable al del HFC-134a en las condiciones propuestas. El an�lisis medioambiental ilustra que el HFO-1234ze(E) y el R-515B pueden reducir hasta un 18 % y un 15 %, respectivamente, las emisiones de CO2 equivalentes en comparaci�n con el HFC-134a en aplicaciones de calefacci�n de espacios a baja temperatura. Adem�s, esta reducci�n llega al 78% en comparaci�n con una caldera de gas natural, considerada como la tecnolog�a de calefacci�n convencional en aplicaciones de temperatura moderadamente alta (agua caliente sanitaria, procesos industriales y radiadores). Aunque el HFO-1234ze(E) y el R-515B presentan un desempe�o energ�tico y ambiental comparable, el �ltimo refrigerante tiene una ventaja con respecto a los requisitos de seguridad de la instalaci�n como refrigerante no inflamable (A1).

El presente art�culo aborda en an�lisis del rendimiento la bomba de calor para la producci�n de agua caliente sanitaria, considerando varios refrigerantes. En primer lugar, se determina la demanda de agua caliente sanitaria para una vivienda de 5 personas en la ciudad de Riobamba,

luego se calcula la demanda energ�tica y la potencia del condensador, utilizando un sistema de acumulaci�n del 30% de capacidad. Posteriormente, se dimensionan de los componentes de la bomba de calor utilizando el programa Fr�o, luego se seleccionaron los modelos de compresores para cada refrigerante.� Finalmente, se realiza el c�lculo del rendimiento medio estacional tomando en cuenta las condiciones climatol�gicas de la ciudad de Riobamba.

Metodolog�a

El an�lisis de la bomba de calor para la producci�n de agua caliente sanitaria con varios refrigerantes se realiz� en funci�n del rendimiento medio estacional (SPF). El dimensionamiento de la bomba de calor se realiz� en funci�n de la demanda de ACS, para lo cual se utiliz� la metodolog�a propuesta por la Gu�a t�cnica de agua caliente sanitaria del Instituto para la diversificaci�n y Ahorro de la Energ�a (IDAE) [9]. Se consider� una vivienda tipo para 5 personas que utilizan 2 lavamanos, 2 duchas, 1 lavavajillas dom�stico, 1 lavadora dom�stica y 1 lavadero.

C�lculo de la demanda de ACS

La demanda de ACS se determina con la ecuaci�n 1, en funci�n del n�mero de personas que habitan en la vivienda multiplicado por el consumo diario de ACS por d�a y persona.

𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝐴𝐶𝑆 =����������� 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 𝑥 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜

𝑙

𝑑�𝑎 ∗ 𝑝𝑒𝑟

(1)

Potencia de la bomba de calor

La potencia de la bomba de calor se determin� para un sistema de acumulaci�n al 30%, mediante la ecuaci�n 2.

𝑃𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴 = [𝑄𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎. (𝑇𝐴𝐶𝑆 − 𝑇𝐴𝐹𝐶𝐻) − 𝑉𝐴𝑐𝑢𝑚 . (𝑇𝑎𝑐𝑢𝑚 − 𝑇𝐴𝐹𝐶𝐻 ). 𝐹𝐴𝑐𝑢𝑚 ].

1.16

𝜂𝐴𝐶𝑆

(2)

donde,

Qpunta: Caudal punta se asume el 50% de consumo diario de ACS.

TACS: Temperatura de ACS la cual es 60�C

TAFCH: Temperatura (�C) de red del agua, de acuerdo con el mes y localizaci�n (Tabla 4-2). VAcum: Volumen de dep�sito �30% del Qpunta

TAcum: Temperatura de acumulaci�n 60�C

FAcum: factor de uso del volumen depende de las dimensiones del tanque de acumulaci�n, para encontrar el factor se utiliza la ecuaci�n (3) [9].

𝐻

𝐹_𝑢𝑠𝑜 = 0,63 + 0,14. 𝐷���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� (3)

Donde H y D son las dimensiones del tanque de acumulaci�n altura y di�metro, respectivamente.

Dimensionamiento de la bomba de calor

Se utiliz� el programa FR�O para el dimensionamiento de la bomba de calor con varios refrigerantes seleccionados. Los datos de entrada en el programa son: Tipo de refrigerante, Temperatura de evaporaci�n (Tevap=Tagua de red-10 K), Temperatura de condensaci�n (Tcond=TACS+10 K), Sub-enfriamiento y re-calentamiento (10 �C) y la Potencia de la bomba de calor. Se realiza una simulaci�n para cada refrigerante, y se obtienen como datos de salida: Potencia del evaporador, Capacidad calor�fica del compresor, Caudal real de compresor y COP de la bomba de calor.

En el estudio se consideraron varios refrigerantes para calcular el rendimiento de la bomba de calor. Se analizaron mezclas zeotr�picas como el R-410A y el R-407C, mezclas azeotr�picas como el R- 513A, refrigerantes naturales como el R-290, hidrofluorocarbonos (HFC) puros como el R-32 y el R-134a, y nuevos refrigerantes hidrofluoroolefinas (HFO) como el R-1234yf y el R-454C.

Estimaci�n del mapa de prestaciones de la bomba de calor

Con los datos obtenidos en el programa FR�O (capacidad de calor�fica y caudal del compresor), se utiliz� el software Select 8 de Emerson para determinar el mapa de prestaciones de cada compresor

para los refrigerantes en an�lisis. Los mapas de funcionamiento de cada compresor fueron

obtenidos a trav�s del software Select 8, en funci�n de la Capacidad calor�fica. (𝑄_𝐶˙

), Potencia del

compresor. (𝐸˙), Capacidad frigor�fica. (𝑄_𝐸˙ compresor. (ƞ).

), Flujo m�sico. (ṁ), COP y��� Eficiencia����������������� del

Para estimar la capacidad de refrigeraci�n y la eficiencia de la bomba de calor en un amplio rango de condiciones de operaci�n, se utilizaron los polinomios ARHI. De acuerdo con la norma espa�ola UNE-EN 12900 [10] se debe generar polinomios de acuerdo con la siguiente expresi�n (4):

𝑋 = 𝐶1� + 𝐶2𝑥𝑆 + 𝐶3𝑥𝐷 + 𝐶4𝑥𝑆2� + 𝐶5𝑋(𝑆𝑥𝐷) + 𝐶6𝑥𝐷2� + 𝐶7𝑥𝑆3 + 𝐶8𝑥(𝐷𝑥𝑆2) + 𝐶9𝑥(𝑆𝑥𝐷2)

+ 𝐶10𝑥𝐷3����������������� (4)

Donde:

X: es la potencia absorbida, el caudal, la potencia frigor�fica S: es la temperatura de evaporaci�n a la entrada del compresor D: es la temperatura de condensaci�n a la salida del compresor C: es un coeficiente

Los coeficientes generados en los polinomios AHRI (𝐶1, 𝐶2, 𝐶3, 𝐶4, 𝐶5, 𝐶6, 𝐶7, 𝐶8, 𝐶9, 𝐶10), se determinan por regresi�n polinomial a partir de los mapas de funcionamiento del compresor obtenidos del cat�logo del fabricante (Select 8).

C�lculo del rendimiento medio estacional (SPF)

El SPF (Seasonal Performance Factor, por sus siglas en ingl�s) es un �ndice que indica la eficiencia energ�tica de una bomba de calor. Es una medida de la cantidad de calor que una bomba de calor puede producir en relaci�n con la energ�a el�ctrica que consume durante un per�odo de tiempo determinado, generalmente una temporada completa de calefacci�n o refrigeraci�n. El SPF es importante porque indica cu�nto ahorro de energ�a puede lograr una bomba de calor en comparaci�n con otros sistemas de calefacci�n o refrigeraci�n. Cuanto mayor sea el SPF, mayor ser� la eficiencia energ�tica de la bomba de calor, lo que se traduce en un menor consumo de

energ�a. Para determinar el SPF, se utiliza la metodolog�a de las Bin hours. Para calcular el SPF se utiliza la ecuaci�n (5) [11]:

𝑆𝑃𝐹 =

∑𝑇.𝑒𝑥 𝑄˙𝐶 𝑥 # 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 /𝑎�𝑜

(5)

Las bin hours se refieren al n�mero de horas en un a�o que la temperatura exterior est� dentro de ciertos rangos de temperatura, conocidos como "bins". Estas bins se definen en incrementos de 3 a 5 grados Celsius, comenzando en 0�C y terminando en 24�C. Al tomar en cuenta las bin hours, se puede seleccionar una bomba de calor con un SPF adecuado para las condiciones clim�ticas de una regi�n espec�fica, lo que resulta en un uso m�s eficiente de la energ�a y ahorro de costos energ�ticos. Para satisfacer la necesidad energ�tica consumida al a�o en una instalaci�n de calentamiento durante 8760 horas al a�o trabajando a su capacidad m�xima.

Mediante los polinomios ARHI se calculan los coeficientes para la capacidad calor�fica �(𝑄˙ �𝐶) �y potencia del compresor (𝐸˙ ). Se calcula la energ�a t�rmica y energ�a el�ctrica anuales multiplicando por las horas encontradas mediante la metodolog�a Bin Hours.

Resultados

En la Tabla 1, se presentan los resultados de la demanda de ACS y la potencia calor�fica requerida por la bomba de calor con un sistema de acumulaci�n del 30%, para una vivienda tipo de la regi�n sierra de Ecuador, en donde viven 5 personas.

La demanda de ACS se determin� utilizando la ecuaci�n (1), considerando un consumo diario de 28 l/persona. La potencia calor�fica requerida por la bomba de calor con un sistema de acumulaci�n del 30% se determin� mediante la ecuaci�n (2), para un Q_punta=70 l/d�a, un dep�sito acumulador de 80 litros de 480 mm de di�metro y 749 mm de altura de acero inoxidable 304 [12].

Tabla 1 Par�metros para el dimensionamiento de la bomba de calor

Dimensionamiento de la bomba de calor

Se utiliz� el programa Fr�o para analizar el rendimiento de la bomba de calor en funci�n de varios refrigerantes que se est�n utilizando en sistemas de ACS. Los refrigerantes para realizar este estudio fueron: R-134a, R-290, R-410A, R-407C, R-513A, R-1234yf, R-454C, R-32. Los

par�metros para el an�lisis son: potencia del evaporador, compresor, caudal real del compresor y COP.

Los datos de entrada para el programa fr�o son: Temperatura de evaporaci�n=2,86 �C, Temperatura de condensaci�n=65 �C, Potencia del condensador de 3,8 kW, el subenfriamiento y recalentamiento de 10 K. La Figura 2 muestra la interfaz del programa Fr�o para el c�lculo de los par�metros de funcionamiento de la bomba de calor con el refrigerante R-134a.

La Tabla 2 muestra los resultados de potencia del evaporador, potencia del compresor, caudal real del compresor y COP obtenidos al realizar las simulaciones con cada uno de los refrigerantes en estudio. Se observa una diferencia en el caudal del compresor que requiere cada refrigerante, esto se debe a las diferencias en la capacidad t�rmica de los refrigerantes, mientras menor capacidad calor�fica tenga el refrigerante, mayor caudal se requiere para la misma potencia en el condensador.

Tabla 2 Resultados de los par�metros para la selecci�n del compresor con varios refrigerantes

Una vez determinado los par�metros de estudio de la bomba de calor, se procede a seleccionar el compresor el software Select 8, del cual se extrae el mapa de funcionamiento para cada tipo de refrigerante. La Figura 2 muestra la interfaz del programa Fr�o para el c�lculo de los par�metros de funcionamiento de la bomba de calor con el refrigerante R-134a.

En la Tabla 3, se muestra el modelo del compresor para cada refrigerante que cumple con el caudal y la potencia del condensador establecidas anteriormente.

Tabla 3 Resultados del modelo del compresor para cada refrigerante y sus par�metros de selecci�n

La mayor potencia del compresor se verifica con el refrigerante R-410A y el menor consumo con el R-32. Adem�s, cabe se�alar que el caudal volum�trico de la mayor�a de los compresores seleccionados es de 5,76 m³/h, sin embargo, el caudal correspondiente al R-32 es de 1,89 m³/h, lo que implica que, para este refrigerante, el tama�o del compresor es menor.

Por otro lado, en condiciones nominales de funcionamiento (Te=2.5�C, Tc=65�C) y considerando modelos comerciales de compresores para bombas de calor, con el refrigerante R-290 se consigue el mayor COP, seguido del R-32, R-134a, y R-513A.

Polinomios AHRI para cada refrigerante

La regresi�n polinomial se utiliza para encontrar los coeficientes utilizando los datos del mapa de rendimiento y se realiza en el software EXCEL para garantizar que los resultados sean precisos. La Tabla 4 muestra los coeficientes de los polinomios AHRI para cada modelo de compresor.

Tabla 4. Coeficientes de los polinomios AHRI para cada modelo de compresor.

Rendimiento medio estacional (SPF) de la bomba de calor operando bajo el clima de la ciudad de Riobamba

El c�lculo de las horas promedio se determin� en funci�n de las Bin Hours de la ciudad de Riobamba en intervalos de 3 grados Celsius. La Figura 4 muestra la distribuci�n horaria de las temperaturas en cada mes en la ciudad de Riobamba durante un a�o. La temperatura promedio anual es de 12,86 �C con una humedad relativa de 44,2 %.

La Tabla 5 presenta los resultados de las Bin Hours, en donde se puede observar que las temperaturas m�s comunes a lo largo del a�o son de 9 a 18 �C. Debido a que la temperatura ambiente de Riobamba no tiene cambios significativos de temperatura a lo largo del a�o, se consideran intervalos de temperatura de 3 grados Celsius.

Tabla 5. Bin Hours en la ciudad de Riobamba en intervalos de 3 grados Celsius.

1.        Consumo de potencia el�ctrica y potencia t�rmica anual

Se determin� la energ�a t�rmica anual (kWh) y la energ�a el�ctrica anual (kWh) para cada uno de los refrigerantes a una temperatura de condensaci�n constante de 65�C y una temperatura de evaporaci�n que var�a de 0 a 24 �C y un subenfriamiento de 10 K, los resultados se presentan en las Tablas 6 y 7, respectivamente. El refrigerante que presenta un mayor consumo de energ�a

t�rmica anual es el R-290 a una temperatura exterior de 9 �C y el refrigerante con un menor consumo es el R-32 a la misma temperatura.

Tabla 6. Energ�a t�rmica anual para varios refrigerantes

La Tabla 7 muestra que a una temperatura exterior de 12�C tienen un mayor consumo de energ�a el�ctrica anual. El refrigerante que mayor consumo de energ�a el�ctrica anual a esta temperatura es el R-410A con 4550.76 kWh y el de menor consumo R-1234yf con 2991.17 kWh. La bomba de calor trabajando con el refrigerante R-410A consume un 40 % m�s de energ�a el�ctrica que con el R-1234yf.

Tabla 7. Energ�a el�ctrica anual para varios refrigerantes

Con los datos de energ�a t�rmica anual y energ�a el�ctrica anual se calcula el SPF de la bomba de calor utilizando la ecuaci�n (14). Los resultados del SPF para cada refrigerante se ilustran en la Figura 5.

Fig. 5. Rendimiento medio estacional de la bomba de calor para varios refrigerantes

Seg�n la Figura 5, la bomba de calor que utiliza un refrigerante R-290 presenta un mayor SPF (3,82), este refrigerante es de origen natural, no tiene ning�n impacto sobre el calentamiento global o el agotamiento de la capa de ozono. Un SPF similar se obtiene con el refrigerante R-134a (3,81). Por otro lado, el refrigerante con el SPF m�s bajo es el R-32 (3,16), este refrigerante es un HFC puro, con nulo agotamiento de la capa de ozono y bajo potencial de calentamiento atmosf�rico (675). Con el R-32 se obtiene aproximadamente un 21% menor SPF que con el R-290.

Conclusiones

�        La demanda de ACS para una vivienda de 5 personas en la ciudad de Riobamba es de 140 l/d�a, la demanda de potencia t�rmica, considerando una acumulaci�n del 30% de ACS es de 3.8 kW.

�        Para una potencia del condensador de 3.8 kW, de todos los refrigerantes analizados, la bomba de calor con el refrigerante R-410A requiere un compresor de mayor tama�o (4,94 m³/h), mientras que con el refrigerante R-32 requiere un compresor de menor tama�o (1,89 m³/h). En estas condiciones (Te=2.5�C, Tc=65�C) con el refrigerante R-32 se obtiene el mayor COP (3.97), seguido del R-134a, R-290 y R1234yf.

�        Considerando modelos comerciales de compresores para bombas de calor y bajo condiciones nominales de funcionamiento (Te=2.5�C, Tc=65�C), con el refrigerante R-290 se consigue un mayor COP (3.08).

�        Tomando en cuenta la climatolog�a de la ciudad de Riobamba, con refrigerante R-290 se obtiene un mayor SPF de la bomba de calor, que constituye aproximadamente un 21% mejor SPF que con el R-32.

�        La bomba de calor es una tecnolog�a eficiente para la producci�n de ACS en climas como el de la ciudad de Riobamba.

Referencia

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3.      F. M. Tello-oquendo, B. A. L�pez-Romero, D. C. V�sconez-N��ez, and G. E. Mi�o- cascante, �Rendimiento de bombas de calor con ciclo de compresi�n de simple etapa y ciclo de compresi�n de doble etapa con inyecci�n de vapor para producci�n de agua caliente sanitaria,� Inf. tecnol�gica, vol. 33, no. 1, pp. 215�224, 2022, doi: 10.4067/s0718- 07642022000100215.

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