INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA APLICADA

TESIS

“MÉTODO DE PRUEBA DE UNA BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN

DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE

AGUA SANITARIA”

PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:

ING. INGRID CHÁVEZ CARRANZA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

MÉXICO, D.F. JULIO, 2016

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis padres, Abigail y Elías. Por el amor y apoyo que me brindaron

siempre. Por todo su esfuerzo, sacrificio y dedicación para proporcionarme las

herramientas necesarias para seguir adelante, en todos los aspectos, a lo largo de mi vida.

Mi amor y gratitud hacia ustedes es inmensurable. Este logro es también suyo.

A mi hermana, Alethia, por ser la mejor compañera, mi mejor amiga, una excelente

persona y un ejemplo a seguir. Te admiro y te quiero mucho.

A mi abuelita, Ofelia. Por haber estado presente en todos mis pasos siempre, y ser parte

fundamental en cada una de las metas alcanzadas. Te quiero y te extraño como el primer

día.

Pero sobre todo, dedico este trabajo a mi esposo, Franco. Por tu paciencia infinita y apoyo

incondicional, por ser mi inspiración y motivación. Por nunca dejar de creer en mí y por

tus palabras certeras en los momentos más difíciles. No lo hubiera logrado sin ti. Te amo.

ii | P á g i n a

AGRADECIMIENTOS

Expreso mi profundo agradecimiento a las personas e instituciones que contribuyeron a la

realización de este trabajo. Primeramente al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela

Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco, por brindarme la

oportunidad de ser parte de una institución de gran calidad educativa.

A mis compañeros, amigos y personal del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica

Aplicada y a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de ESIME Zacatenco.

Especialmente agradezco a mi asesor de tesis, el Dr. Ignacio Carvajal Mariscal, por su

dirección, enseñanzas y sobre todo por su paciencia.

Agradezco a mis profesores y a los miembros del jurado por sus valiosas aportaciones,

directas e indirectas, para este proyecto:

Dr. Pedro Quinto Diez

Dr. Florencio Sánchez Silva

Dr. Alejandro Zacarías Santiago

Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña

Dr. Miguel Toledo Velázquez

M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava

Finalmente agradezco infinitamente al Dr. Amancio Moreno Rodríguez, al M. en C Jorge

Ernesto De León Ruíz y al Ing. Franco Omar Ramos Langer por su apreciable contribución,

así como al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, por el apoyo económico

proporcionado.

iii | P á g i n a

RESUMEN

En este trabajo se propone un método de prueba para evaluar la eficiencia energética de

una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP), operando

bajo las condiciones ambientales de la Ciudad de México. La DXSAHP aplicada a la

producción de agua caliente sanitaria (ACS) en el área residencial, es una tecnología en

desarrollo que pretende contribuir a la promoción del uso de energías renovables sobre

las no renovables, así como al aprovechamiento y crecimiento del sector solar en México.

Debido a que no existe actualmente una norma que considere la asistencia solar para la

evaluación del rendimiento de una bomba de calor y por lo tanto que pueda ser aplicado

al tipo de bomba concerniente, se realizó una adaptación de las 6 etapas del método de

prueba descrito en la Norma Europea UNE-EN 16147: 2011 para bombas de calor

comercializadas en la Unión Europea. Por medio de diagramas de flujo, se desarrolló la

propuesta de procedimiento de evaluación de la eficiencia energética de una DXSAHP

para el calentamiento de agua. Además, empleando un modelo para simulación numérica

se obtuvieron gráficas de los parámetros más importantes involucrados en la evaluación

de la eficiencia térmica de una DXSAHP (radiación solar, velocidad del viento, temperatura

ambiente, temperatura del agua, carga de agua y potencia eléctrica absorbida). Lo que

proporcionó información relevante para modificar y adaptar el procedimiento de prueba

propuesto.

iv | P á g i n a

Los cambios más importantes que contempla el procedimiento propuesto en este trabajo

son la consideración de las condiciones ambientales, como la radiación solar, que no es un

parámetro contemplado hasta el momento en ningún método de prueba oficial, sin

embargo representa un aumento importante en la eficiencia del sistema, de casi el doble

del valor obtenido en el COP. Mientras que la velocidad del viento influyó de diferente

forma, significando una pérdida o una ganancia de calor para el sistema, dadas las

condiciones de temperatura en la superficie del colector-evaporador con relación a la

temperatura ambiente, no constituyó diferencias significativas en el desempeño del

mismo. Es por lo anterior que como resultado del análisis realizado en conjunto con el

estudio de las normas existentes, se obtuvo un método de prueba preliminar, que

pretende sentar las bases para la creación posterior de una norma que uniforme el

funcionamiento de estos sistemas en México.

v | P á g i n a

ABSTRACT

In this work, a testing method is proposed to evaluate the energy efficiency of a direct

expansion solar-assisted heat pump water heater (DXSAHP-WH) operating under the

environmental conditions of Mexico City. The DXSAHP-WH is an emerging technology

which aims to promote the renewable energy use over the fossil fuels, as well as

contribute to the evolution of the solar sector in Mexico.

Due to the lack of regulations for the performance evaluation of a solar assisted heat

pump, an adjustment of the 6 stages of the testing method described in the European

Standard, UNE-EN 16147:2011 for commercialized heat pumps in the EU, was conducted.

Through flowcharts, it was developed the proposed procedure for the energy efficiency

evaluation of a DXSAHP-WH, exposed in this paper. In addition, using a numerical

simulation model that describes the behavior of a DXSAHP-WH, charts of the major

parameters involved in the thermal efficiency evaluation of this kind of systems (solar

radiation, wind speed, ambient temperature, water temperature, water load and

electrical power consumption) were obtained. Which provided relevant information to

modify and adapt the proposed testing procedure.

The most important changes included in the proposed procedure in this work are the

consideration of the environmental conditions, such as the solar radiation, which has

never been a discussed parameter in any official testing method, however it represents a

significant increase in efficiency of the system, almost twice the value obtained in the

COP. While other parameters considered relevant at first, as the wind speed did not

significantly influence the performance of the DXSAHP. Due this, as a result of analysis of

the evaluated parameters (solar radiation, humidity, wind speed and ambient

temperature) in conjunction with the study of existing standards, was possible to establish

an initial methodology to evaluate a DXSAHP.

CONTENIDO

DEDICATORIA ....................................................................................................................................... i

AGRADECIMIENTOS............................................................................................................................. ii

RESUMEN ............................................................................................................................................iii

ABSTRACT ............................................................................................................................................ v

LISTA DE FIGURAS................................................................................................................................ ix

LISTA DE TABLAS.................................................................................................................................. xi

NOMENCLATURA ............................................................................................................................... xii

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. xiv

Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA ..................... 2

1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA .............................................................................. 2

1.1.1 CALENTADORES SOLARES....................................................................................................... 5

1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO ...................................................................................................... 7

1.1.1.2 NORMAS VIGENTES ................................................................................................... 11

1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad de

colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y etiquetado ................ 11

1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas solares

para calentamiento de agua. Método de prueba ..................................................................... 12

1.1.2 CALENTADORES DE GAS ................................................................................................ 12

1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO .................................................................................................... 14

1.1.2.2 NORMAS VIGENTES ....................................................................................................... 15

1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso

doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado ........................................... 16

1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que

utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad, especificaciones,

métodos de prueba, marcado e información comercial (Cancela a la NOM-020-SEDG-2003) 16

1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS ......................................................................................... 17

1.1.4 BOMBAS DE CALOR ....................................................................................................... 17

Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR ......................................................................................................... 20

2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR .................................................................................. 20

2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES ............................................................................. 21

2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR ...................................................................... 26

2.4 FUNCIONAMIENTO ............................................................................................................ 30

2.5 BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR (DXSAHP) .. 33

2.6 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 35

Capítulo 3. DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA ......................................................................... 44

3.1 DESCRIPCIÓN DE LA DXSAHP ............................................................................................. 44

3.2 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA DXSAHP ........................................................... 47

3.2.1 REQUISITOS GENERALES DE PRUEBA (EN 16147:2011) ................................................ 48

3.2.2 MÉTODO DE PRUEBA (EN 16147:2011) ........................................................................ 50

3.2.2.1 ETAPA DE PRUEBA A: PERIODO DE CALENTAMIENTO .............................................. 51

3.2.2.2 ETAPA DE PRUEBA B: DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÉGIMEN

ESTABLE 54

3.2.2.3 ETAPA DE PRUEBA C: DETERMINACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO Y DEL

COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA

MEDIANTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÓN DE REFERENCIA ....................................... 54

3.2.2.4 ETAPA DE PRUEBA D: DETERMINACIÓN DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA DEL

AGUA CALIENTE Y DEL VOLUMEN MÁXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE EN CADA

EXTRACCIÓN .............................................................................................................................. 59

3.2.2.5 ETAPA DE PRUEBA E: ENSAYO PARA DETERMINAR EL RANGO DE LAS

TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 61

3.2.2.6 ETAPA DE PRUEBA F: ENSAYOS DE SEGURIDAD ........................................................ 64

3.2.2.6.1 BLOQUEO DE LOS CAUDALES DE LOS MEDIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR........ 66

3.2.2.6.2 FALLO COMPLETO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN .............................................. 66

3.3 METODOLOGÍA SIMPLIFICADA .......................................................................................... 67

Capítulo 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................................................. 75

4.1 INFLUENCIA DE LOS PARÀMETROS EVALUADOS EN EL COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE

LA DXSAHP ..................................................................................................................................... 75

4.1.1 HUMEDAD ..................................................................................................................... 76

4.1.2 VELOCIDAD DEL VIENTO ................................................................................................ 77

4.1.3 VOLUMEN DE AGUA ...................................................................................................... 79

4.1.4 RADIACIÓN SOLAR ......................................................................................................... 81

4.1.5 TEMPERATURA AMBIENTE, TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE Y CONSUMO TOTAL

DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................................................................. 84

4.2 COEFICIENTE DE DESEMPEÑO ........................................................................................... 85

4.3 PROPUESTA FINAL DE METODOLOGÌA DE EVALUACIÒN DE LA EFICIENCIA TÈRMICA ..... 87

4.3.1 ETAPA 1: PERIODO DE CALENTAMIENTO ...................................................................... 89

4.3.2 ETAPA 2: OBTENCIÒN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÈGIMEN ESTABLE ............... 92

4.3.3 ETAPA 3: DETERMINACIÒN DEL CONSUMO ENERGÈTICO Y EL COEFICIENTE DE

DESEMPEÑO MEDIENTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÒN ................................................ 95

4.3.4 ETAPA 4: DETERMINACION DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA Y VOLÙMEN

MÀXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE................................................................................... 103

4.3.5 ETAPA 5: RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................... 106

CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 115

RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 117

REFERENCIAS ................................................................................................................................... 118

APÈNDICE 1. REQUISITOS GENERALES DE ENSAYO DE LA NORMA EUROPEA EN16147:2011 ....... 125

APÉNDICE 2. TABLAS EMPLEADAS EN METODOLOGÍA DE PRUEBA PARA LA EVALUACIÓN DEL

CONSUMO ENERGÉTICO DE LA NORMA EUROPEA EN 16147:2011 ............................................... 128

APÉNDICE 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL ............................................... 136

ANEXO 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ETAPAS DE PRUEBA DE LA NORMA EUROPEA EN-16147:2011

......................................................................................................................................................... 146

ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE REQUERIMIENTOS GENERALES DE PRUEBA PARA LA DXSAHP

......................................................................................................................................................... 175

ix | P á g i n a

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891 ..................... 5

Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909 ...................... 6

Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo ........................................................... 7

Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta .......................................... 8

Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN) .......................................................................... 9

Figura 6 Estructura de un tubo evacuado ........................................................................................... 9

Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY) ................................................................ 10

Figura 8 Concentrador parabólico..................................................................................................... 10

Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico ............................................................. 13

Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo ................................. 15

Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico ........................................................... 17

Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor ............................................................................... 20

Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34 23

Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma

ANSI/ASHRAE 34 ............................................................................................................................... 24

Figura 15 Diagrama de una bomba de calor reversible .................................................................... 31

Figura 16 Diagrama p-h del ciclo ideal de una bomba de calor ........................................................ 32

Figura 17 Diagrama T-s del ciclo ideal de una bomba de calor ......................................................... 33

Figura 18 Componentes principales de una DXSAHP ........................................................................ 35

Figura 19 Diagrama esquemático de la DXSAHP del LABINTHAP ..................................................... 45

Figura 20 Etapas y orden de los ensayos establecidos en la Norma Europea EN16147:2011 .......... 50

Figura 21 Ilustración de un ensayo de ciclo de extracción posible (Norma Europea EN16147:2011)

........................................................................................................................................................... 56

Figura 22 Diagrama de flujo de la metodología simplificada de prueba .......................................... 72

Figura 23 Humedad relativa a lo largo del día en la Cd. de México .................................................. 77

Figura 24 Gráfica de Tiempo de trabajo del compresor contra Velocidad del viento ...................... 78

Figura 25 Gráfica de Flujo de calor cedido contra Temperatura de agua caliente ........................... 80

Figura 26 Gráfica de COP contra Temperatura de agua caliente ...................................................... 83

Figura 27 Gráfica de Trabajo de compresión contra Temperatura de agua caliente ....................... 85

Figura 28 Gráfica de Coeficiente de desempeño contra Temperatura de agua caliente ................. 87

Figura 29 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 1 para la DXSAHP ................................ 91

Figura 30 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 2 para la DXSAHP ................................ 94

Figura 31 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 3 para la DXSAHP .............................. 102

Figura 32 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 4 para la DXSAHP .............................. 105

Figura 33 Diagrama de flujo del procedimiento general de la etapa 5 para la DXSAHP ................. 108

Figura 34 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5

para la DXSAHP ................................................................................................................................ 111

Figura 35 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5

para la DXSAHP ................................................................................................................................ 114

x | P á g i n a

Figura 36 Colector-evaporador de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 136

Figura 37 Compresor Danfoss, modelo MTZ18JAVE de la DXSAHP del LABINTHAP ....................... 136

Figura 38 Condensador de placas Alfa-Laval, modelo ACH-30EQ-10H-F, de la DXSAHP del

LABINTHAP ...................................................................................................................................... 137

Figura 39 Filtro deshidratador Emerson, modelo TD-033, de la DXSAHP del LABINTHAP ............. 138

Figura 40 Acumulador de succión Parker, modelo VA-31-4S, de la DXSAHP del LABINTHAP ....... 139

Figura 41 Válvula reguladora de presión de cárter Danfoss, modelo KVL de la DXSAHP del

LABINTHAP ...................................................................................................................................... 140

Figura 42 Válvula reguladora de presión de evaporación Sporlan, modelo ORIT-6-30/100 de la

DXSAHP del LABINTHAP .................................................................................................................. 140

Figura 43 Presostato Alco, de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................. 141

Figura 44 Separador de aceite de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 143

Figura 45 Mirilla de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................................. 144

Figura 46 Tanque recibidor Emerson, modelo TR-100, de la DXSAHP del LABINTHAP.................. 145

Figura 47 Diagrama de flujo del procedimiento de Requisitos generales de la norma europea

EN16147:2011 ................................................................................................................................. 150

Figura 48 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa A de la Norma Europea EN16147:2011

......................................................................................................................................................... 151

Figura 49 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa B de la Norma Europea EN16147:2011

......................................................................................................................................................... 153

Figura 50 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa C de la Norma Europea EN16147:2011

......................................................................................................................................................... 158

Figura 51 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa D de la Norma Europea EN16147:2011

......................................................................................................................................................... 161

Figura 52 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea

EN16147:2011 ................................................................................................................................. 163

Figura 53 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de

la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 166

Figura 54 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de

la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 169

Figura 55 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea

EN16147:2011 ................................................................................................................................. 170

Figura 56 Diagrama de flujo del fallo 1 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea

EN16147:2011 ................................................................................................................................. 172

Figura 57 Diagrama de flujo del fallo 2 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea

EN16147:2011 ................................................................................................................................. 174

xi | P á g i n a

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Normas extranjeras aplicables a bombas de calor ............................................................... 40

Tabla 2 Etapa de prueba A de la Norma Europea EN 16147:2011.................................................... 52

Tabla 3 Etapa de prueba B de la Norma Europea EN16147:2011..................................................... 53

Tabla 4 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 1/2) .................................. 57

Tabla 5 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 2/2) .................................. 58

Tabla 6 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 60

Tabla 7 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 62

Tabla 8 Etapa de prueba F de la Norma Europea EN16147:2011 ..................................................... 65

Tabla 9 Incertidumbres de medición para los valores indicados .................................................... 125

Tabla 10 Desviaciones permitidas respecto a los valores de referencia......................................... 126

Tabla 11 Requisitos de presión para bombas de calor aire-agua ................................................... 126

Tabla 12 Condiciones de ensayo aplicables a todos los sistemas ................................................... 127

Tabla 13 Condiciones de ensayo aplicables a tipos de sistemas particulares ................................. 127

Tabla 14 Caudales de extracción ..................................................................................................... 128

Tabla 15 Ciclo de extracción S ......................................................................................................... 129

Tabla 16 Ciclo de extracción M ....................................................................................................... 130

Tabla 17 Ciclo de extracción L ......................................................................................................... 131

Tabla 18 Ciclo de extracción XL ....................................................................................................... 132

Tabla 19 Ciclo de extracción XXL ..................................................................................................... 133

Tabla 20 Condiciones de funcionamiento ....................................................................................... 134

Tabla 21 Cálculo de la humedad relativa para el ensayo de rango de operaciones ....................... 134

Tabla 22 Presentación de los resultados principales ...................................................................... 134

Tabla 23 Información a registrar y calcular ..................................................................................... 135

xii | P á g i n a

NOMENCLATURA

SÍMBOLO DEFINICIÓN UNIDADES

𝒄𝒑 Calor específico del agua kJ/kg K

�̇�𝑻𝒂𝒑 Caudal volumétrico del agua durante la extracción m3/s

�̇�𝒂𝒊𝒓 Caudal volumétrico del aire nominal m3/s

�̇�𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅 Caudal volumétrico del líquido medido m3/s

𝑪𝑶𝑷 Coeficiente de desempeño --

𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética para el ciclo de extracción

𝑼𝒆 Coeficiente global de transferencia de calor W/m2K

𝑾𝒄𝒉 Consumo de energía durante el periodo de calentamiento kWh

𝑾𝑬𝑳−𝑪𝒐𝒓𝒓 Consumo de energía eléctrica en ventiladores o bombas de líquido kWh

𝑾𝑬𝑳−𝑴−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica medida durante el ciclo de extracción

completo

kWh

𝑾𝑬𝑳−𝑯𝑷−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total de la bomba de calor durante el

ciclo de extracción completo

kWh

𝑾𝑬𝑳−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total durante un ciclo de extracción kWh

𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Consumo total diario de energía eléctrica J

𝝆 Densidad kg/m3

𝝆(𝑻) Densidad del agua caliente en función de su temperatura kg/m3

∆𝑻𝒅𝒆𝒔𝒊𝒓𝒆𝒅 Diferencia de temperatura entre la temperatura del agua caliente y la

temperatura del agua fría

K

𝒕𝒆𝒔 Duración de un ciclo de arranque/parada de la bomba de calor para

determinar la potencia absorbida en régimen estable

s

𝒕𝑻𝑻𝑪 Duración de un ciclo de extracción en horas h

𝒕𝑻𝑨𝑷 Duración de una extracción s

𝑬𝑬 Eficiencia energética --

𝑾𝒆𝒔 Energía absorbida durante el último ciclo de arranque/parada para

determinar la potencia absorbida en régimen estale

kWh

𝑸𝑬𝑳−𝑻𝑪 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción

durante todo el ciclo de extracción

kWh

𝑸𝑬𝑳−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción

para alcanzar la temperatura de extracción requerida

kWh

𝑸𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil durante una extracción kWh

𝑸𝑯𝑷−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante

una extracción

kWh

𝑸𝑯𝑷−𝑻𝑪 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante

todo el ciclo de extracción

kWh

𝑸𝑻𝑪 Energía calorífica útil total durante todo un ciclo de extracción kWh

𝑸𝒓𝒔 Energía térmica absorbida con asistencia solar kWh

𝑸𝒄𝒐𝒏 Energía térmica absorbida por conducción kWh

xiii | P á g i n a

𝑸𝒓𝒂𝒅 Energía térmica absorbida por radiación kWh

𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 Energía térmica correspondiente a pérdidas de calor en el sistema kWh

𝒉 Entalpía kJ/kg

�̇�𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 Flujo de calor cedido por el condensador kW

𝒊 Índice de extracción --

𝑰𝒔 Irradiancia instantánea sobre plano horizontal W/m2

𝑰𝒂𝒗𝒆 Irradiancia promedio diaria sobre plano horizontal W/m2

𝑴 Masa total del agua dentro del tanque de almacenamiento kg

𝒏𝑻𝑨𝑷 Número de extracciones durante un ciclo de extracción -

𝑹𝒊𝒉 Parámetro de simetría de radiación solar --

𝑷𝒆𝒔 Potencia absorbida en régimen estable kW

𝑸𝒂 Potencia cedida a la región de alta temperatura kW

𝑾 Potencia eléctrica absorbida kW

𝑸𝒃 Potencia térmica obtenida de la región de baja temperatura kW

𝒑 Presión kPa

𝑯𝒕 Radiación solar diaria Wh/m2

𝑻 Temperatura ° C

𝑻𝒂 Temperatura ambiente ° C

𝑻𝒂,𝒂𝒗𝒆 Temperatura ambiente promedio ° C

𝑻𝑾 Temperatura de agua caliente dentro del tanque de almacenamiento ° C

𝑻𝑾𝒊 Temperatura de agua de inicio ° C

𝑻𝑾𝒇 Temperatura de agua de salida ° C

𝜽´𝑾𝑯 Temperatura de referencia del agua caliente ° C

𝜽𝑾𝑯 Temperatura del agua caliente ° C

𝜽𝑾𝑪 Temperatura del agua fría ° C

𝑻𝒎𝒂𝒙𝒇𝒄 Temperatura máxima de la fuente de calor ° C

𝑻𝒎𝒊𝒏𝒇𝒄 Temperatura mínima de la fuente de calor ° C

𝒕 Tiempo s

𝒕𝒉 Tiempo de calentamiento s

𝒕𝒔 Tiempo de muestreo s

∆𝒕 Tiempo de trabajo del compresor s

𝒕𝟒𝟎 Tiempo entre el comienzo de la extracción y el momento en que

𝜃𝑊𝐻 (t) es inferior a 40°C

s

𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Trabajo de compresión kW

𝑼𝒂𝒊𝒓𝒆 Velocidad del viento m/s

𝑽𝒂𝒈𝒖𝒂 Volumen de agua dentro del tanque de almacenamiento m3

𝑽𝒎𝒂𝒙 Volumen máximo de agua caliente utilizable m3

𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética --

xiv | P á g i n a

INTRODUCCIÓN

El calentamiento de agua para uso doméstico es una actividad de suma importancia en la

vida cotidiana. El gasto económico que se deriva del uso de un calentador de agua

constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia promedio en México,

porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más grande en el hogar (CONUEE, 2013).

Actualmente las tecnologías más populares, en la Ciudad de México, para dicho fin son los

calentadores eléctricos, los colectores solares, los llamados calentadores híbridos:

calentadores solares que integran a su sistema un calentador de gas como calentador de

apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de

agua caliente, y los calentadores de gas, siendo éstos últimos los más empleados.

Sin embargo es necesario mencionar que cada una de estas tecnologías cuenta con

grandes desventajas económicas y/o ambientales a pesar de las mejoras que se han

alcanzado hasta ahora.

En relación a los calentadores solares, los inconvenientes de su uso son: su dependencia

total a la radiación solar, su costo inicial, que es superior al doble del costo de los

calentadores de gas o los eléctricos (INECC, 2009) y el requerimiento de grandes espacios

para su colocación, sin contar que no existe una norma oficial que regule el

comportamiento de los mismos, y por lo tanto que nos garanticen un funcionamiento

adecuado y seguro.

Para el caso de los calentadores de gas existe un impacto ambiental significativo originado

por los mismos, debido a su elevada producción de Gases de Efecto Invernadero (GEI), la

cual contribuye a la disminución en la calidad del aire y por ende a una contaminación

atmosférica causante de infecciones respiratorias y enfermedades cardiopulmonares.

Hecho que deriva en un costo considerable para el país, ya que, de acuerdo con el INEGI,

xv | P á g i n a

en el 2009 los mayores costos ambientales, equivalentes al 4.4% del producto interno

bruto (INEGI, 2011), fueron producidos por la contaminación atmosférica. Los GEI también

producen una degradación importante en la capa de ozono fortaleciendo al cambio

climático (IPCC, 2007), siendo el Valle de México la zona afectada del país más conocida

(SEMARNAT, 2008).

De igual forma, el alto consumo de gas que demanda este tipo de calentador durante su

operación implica un gasto monetario apreciable, y al ser la tecnología para calentamiento

de agua más empleada en la Ciudad de México, sus efectos negativos se magnifican.

Los calentadores eléctricos, al igual que los calentadores de gas, generan un impacto

económico sustancial en consecuencia al elevado consumo de energía eléctrica que

requieren. Estos calentadores obtienen de una o varias resistencias eléctricas el calor

necesario para calentar el agua, lo que deriva en un gasto irracional de energía al

transformar energía de alta calidad (eléctrica) en calor, en elementos de muy baja

eficiencia energética, como lo son las resistencias eléctricas.

Debido a lo anterior, la introducción al mercado de tecnologías alternativas para el

calentamiento de agua sanitaria que cuenten con una mayor eficiencia energética, que

generen un menor impacto ambiental, y que nos proporcionen una relación

costo/beneficio satisfactoria, se hace imperativa.

Con el desarrollo de una tecnología nueva para el calentamiento de agua sanitaria surge la

necesidad de crear normas que reglamenten el funcionamiento de las mismas, así como

procedimientos de evaluación y requisitos de seguridad, que, de esta forma, garanticen un

adecuado desempeño de dicho equipo.

xvi | P á g i n a

El objetivo de ésta investigación es el de desarrollar un procedimiento de evaluación de la

eficiencia energética de una bomba de calor de expansión directa asistida por energía

solar, de ahora en adelante DXSAHP, aplicada al calentamiento de agua sanitaria en el

sector doméstico para la Ciudad de México.

La justificación de dicho proyecto radica en las desventajas que presentan las tecnologías

convencionales para el calentamiento de agua y a la necesidad constante de reducir

gastos, tanto económicos como de recursos naturales, la introducción al mercado de la

DXSAHP es una opción.

Ya que no se cuenta con normas que regulen el desempeño de una tecnología en

desarrollo, como lo es la DXSAHP, es necesario crear o adecuar procedimientos para la

evaluación del funcionamiento energético de la misma que tomen en cuenta las

condiciones ambientales de nuestro país y la respalden como una tecnología sostenible.

Este trabajo se constituye de 4 capítulos. En el primer capítulo se describe el proceso de

producción de agua caliente sanitaria, sus etapas así como algunas de las tecnologías más

empleadas para dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas que

regulan la operación de los equipos más comunes para el calentamiento de agua en el

sector doméstico en México también son explorados dentro del capítulo 1, además de una

introducción a las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines

residenciales.

El segundo capítulo explora el principio de funcionamiento de las bombas de calor, sus

características y componentes principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en

el tipo de bomba de calor que es el objeto de estudio de este trabajo, la bomba de calor

de expansión directa asistida por energía solar. Además a lo anterior, en el capítulo 2 se

xvii | P á g i n a

expone la situación actual del tipo de bomba pertinente, en cuanto al desarrollo,

normalización y métodos de prueba, a través del estado del arte.

El tercer capítulo está conformado por la descripción de una instalación experimental

correspondiente a una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar

para el calentamiento de agua. Se describen los componentes de dicho sistema, que

ejemplifica el equipo hacia el cual va dirigido el método de prueba desarrollado en este

trabajo. De igual forma se desarrolla, mediante diagramas de flujo, el procedimiento de

prueba basado en la Norma Europea 16147:2011 “Bombas de calor con compresor

accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado de equipos para agua

caliente sanitaria”, puntualizando las modificaciones necesarias para su aplicación en

sistemas de bombas de calor asistidas por energía solar. Adicional a lo anterior se expone

una metodología simplificada para la evaluación de la eficiencia térmica de una DXSAHP.

Dentro del cuarto capítulo se presentan los parámetros que influyen en el desempeño de

una DXSAHP, y que por lo mismo, se consideran necesarios para evaluar la eficiencia de

este tipo de sistemas. Empleando el modelo de simulación numérica desarrollado por el

M.C Jorge Ernesto De León Ruíz en su trabajo de tesis Modelo matemático y diseño de

una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar para calentamiento de

agua, se obtuvieron las gráficas que representan el comportamiento de estos sistemas

bajo las condiciones ambientales de la Ciudad de México.

Dichas gráficas son analizadas para exponer la influencia que supone cada uno de los

diferentes parámetros evaluados, en la eficiencia de este tipo de equipos. Finalmente se

presentan las conclusiones generales obtenidas del trabajo.

CAPÍTULO 1

TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA

En este capítulo se describe el proceso de calentamiento de agua

con fines domésticos, o producción de agua caliente sanitaria (ACS),

sus etapas así como algunas de las tecnologías más empleadas para

dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas

que regulan la operación de los equipos más comunes para el

calentamiento de agua en el sector doméstico en México también

son explorados dentro del capítulo 1, además de una introducción a

las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines

residenciales.

2 | P á g i n a

Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE

AGUA SANITARIA

1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA

El calentamiento de agua para uso doméstico, también conocido como producción de

agua caliente sanitaria (ACS por sus siglas en español), es una actividad sumamente

importante en la vida cotidiana de cualquier persona y representa uno de los mayores

consumos energéticos en todo el mundo.

En lo referente al sector residencial en México, la producción de ACS significa el 29% del

consumo de energía total (Ibrahim, O. et al, 2013) y el gasto económico que se deriva del

uso de un calentador de agua constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia

mexicana promedio, porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más importante en

el hogar (CONUEE, 2013).

Para el calentamiento de agua nos valemos de un calentador de agua que es un equipo o

dispositivo encargado de elevar la temperatura del agua mediante un aporte de energía,

cuyo objetivo es proveer de agua caliente a todos los puntos de la instalación que la

requieran.

De acuerdo a la forma de producción del agua caliente, podemos identificar dos tipos de

instalaciones: instantánea y con acumulación.

En la instalación de producción instantánea de ACS, el diseño de los intercambiadores está

determinado por el momento de máxima demanda de la instalación, es decir, el circuito

primario calienta al agua de consumo al mismo tiempo que se requiere y, como

consecuencia, es necesario el uso de bombas de circulación, para hacer fluir el agua hacia

los intercambiadores.

3 | P á g i n a

Para el caso de la instalación de producción con acumulación, el sistema mantiene una

reserva de agua caliente hasta el momento de su uso, lo cual reduce la potencia necesaria

en producción.

El sistema de servicio de ACS está conformado por los siguientes elementos: fuente de

energía calorífica, equipo de transferencia de calor, sistema de distribución de agua y

dispositivos de uso de agua caliente (ASHRAE handbook: HVAC Applications, 1999).

Existen varias fuentes de energía de donde es obtenido el calor para calentar agua, como

la quema de combustibles fósiles, energía eléctrica, energía solar, entre otros.

El equipo de transferencia de calor puede ser de dos tipos: directo e indirecto; los tanques

de almacenamiento pueden estar asociados con cualquier tipo de equipo de transferencia

de calor, o ser parte de ellos.

Para los equipos de tipo directo, el calor es obtenido de la quema de algún combustible, o

de una conversión directa de energía eléctrica a calorífica realizada dentro del mismo

equipo de transferencia de calor.

En cuanto a los equipos de transferencia de calor indirecta, la energía calorífica es

obtenida de fuentes de calor remotas, como boiler, captación de energía solar,

cogeneración, refrigeración o calor residual, y transferida al agua valiéndose de un equipo

de transferencia de calor adicional.

Los sistemas de distribución se encargan de transportar el agua caliente del equipo de

calentamiento a los equipos de consumo de agua caliente, que son accesorios de plomería

y equipos que requieren un flujo de agua caliente, ya sea constante o irregular, cuyo

4 | P á g i n a

consumo de agua se encuentra relacionado con el inmueble en el que se encuentran, las

aplicaciones de proceso, y las preferencias del usuario.

Para lugares que requieren de un suministro constante de agua a una temperatura

deseada, es importante considerar tubería de circulación o un dispositivo de ayude a

mantener el calor.

Los diferentes tipos y diseños de calentadores de agua se basan en la fuente de energía, la

aplicación de la energía para el calentamiento de agua y el método de control utilizado

para distribuir el agua caliente necesaria a la temperatura requerida bajo condiciones de

demanda variables.

La aplicación de un dispositivo de calentamiento de agua al diseño del sistema completo

de producción de ACS se basa en la ubicación del equipo con respecto al sistema, la

temperatura requerida del agua caliente y la cantidad de agua a utilizar.

Existen varias tecnologías para el calentamiento de agua sanitaria que se distinguen entre

sí por el combustible o fuente de energía que explotan. Actualmente en México, los

calentadores de agua más empleados son aquellos que utilizan gas L.P. o gas natural como

combustible, no obstante se están desarrollando y promoviendo nuevos sistemas de

calentamiento de agua sanitaria, con la finalidad de minimizar el gasto de combustibles

fósiles y reducir así el impacto ambiental derivado del mismo; entre estos podemos

mencionar a las bombas de calor, los colectores solares y los llamados calentadores

híbridos: colectores solares que integran a su sistema un calentador de gas como equipo

de apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de

agua caliente.

5 | P á g i n a

1.1.1 CALENTADORES SOLARES

Un calentador solar es aquel equipo que obtiene de la energía solar, la energía que

requiere para elevar la temperatura del agua y producir ACS. Este tipo de sistema está

formado por un colector solar, y un tanque de almacenamiento del agua caliente.

El primer calentador solar comercial fue el llamado “Clímax”, patentado por Clarence M.

Kemp en 1891. Estaba formado por cuatro tanques tubulares de metal aislados entre sí

por separadores de cartón, colocados dentro de una caja de madera de pino cubierta por

una tapa de vidrio Figura 1 (California Solar Center, 2015)

Sin embargo fue hasta 1909 que surgió un calentador solar capaz de almacenar el agua

caliente y no sólo producirla. William Bailey creó un calentador en el cual empleaba tubos

estrechos para almacenar el agua, en lugar de un tanque grande, lo que le permitía al

agua conservar su calor por más tiempo. El calentador de Bailey, mostrado en la Figura 2,

contenía todos los elementos que son utilizados en las instalaciones actuales: un colector

solar de placa plana con un panel de absorción y un tanque de almacenamiento de agua

colocado a una altura superior que la del colector (Frid, S. E. et al, 2012).

Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891

6 | P á g i n a

Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909

Los calentadores solares de agua pueden ser clasificados en dos categorías: activos y

pasivos. En los sistemas activos, se utiliza un sistema mecánico para hacer circular el fluido

de trabajo, mientras que los sistemas pasivos utilizan gradientes de densidad.

Los sistemas activos pueden ser directos o indirectos. Se dice que son directos, o de lazo

abierto, cuando el fluido de trabajo que se hace circular a través de los colectores solares,

empleando una bomba, es el agua que se requiere calentar. Se llaman indirectos o de lazo

cerrado cuando el fluido de trabajo es un refrigerante que se bombea hacia los colectores

para absorber el calor que será transferido al agua mediante un intercambiador de calor.

Los sistemas pasivos se dividen a su vez en dos: almacenadores con colector integrado y

sistemas de termosifón.

Los almacenadores con colector integrado son sistemas que cuentan con un tanque que

desempeña tanto la función de colector solar, como el de almacenamiento de ACS,

mientras que en los sistemas de termosifón, el tanque almacenador y el colector solar son

dos unidades separadas físicamente, a través de las cuales la transferencia de calor se da

por convección natural y pueden ser también directos o indirectos.

7 | P á g i n a

1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO

El colector es el componente principal en los calentadores solares, ya que es el dispositivo

encargado de absorber la energía proveniente de la radiación solar que incide sobre su

superficie, convirtiéndola en energía térmica que transfiere por contacto, ya sea

directamente al agua (sistema directo), o a un fluido de trabajo, el cual a su vez transfiere

el calor ganado hacia el agua sanitaria para incrementar su temperatura (sistema

indirecto).

En un sistema directo o de lazo abierto, el agua fría ingresa al colector, para

posteriormente aumentar su temperatura debido al aporte de calor que le es

suministrado. El agua ya caliente tiende a subir debido a las fuerzas de flotación por los

gradientes de densidad, y se dirige al depósito de almacenamiento que siempre es

colocado por encima del colector, para recolectar el agua caliente producida (Figura 3).

Un colector solar debe ser instalado de acuerdo a la zona geográfica en la que se

encuentra, con una orientación y ángulo de inclinación específicos para optimizar la

captación de radiación solar. Debe estar orientado con su eje longitudinal en dirección

este-oeste, y su inclinación depende de la latitud de la instalación (Dalpasquale, V. A. et al,

1991).

Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo

8 | P á g i n a

En una instalación realizada en la Ciudad de México, que se encuentra en el hemisferio

norte y con una latitud de 19° 24´N (INEGI, 1991), el colector solar deberá ser posicionado

con vista hacia el sur y con un ángulo de inclinación de 19° aproximadamente.

Existen varios tipos de colectores solares:

Colectores de placa plana: con cubierta o sin cubierta.

Colectores de tubos evacuados

Concentradores parabólicos

Los colectores de placa plana con cubierta se encuentran equipados con un aislamiento y

cajas resistentes a la intemperie que contienen una placa de absorción obscura,

normalmente de color negro mate, bajo una o varias cubiertas de vidrio o plástico,

encargadas de permitir la penetración de la radiación solar hacia la placa de absorción y

mantener la ganancia térmica (Figura 4).

Los colectores de placa plana sin cubierta tienen una placa de absorción obscura de metal

o plástico sin ningún tipo de cubierta, como el que se muestra en la Figura 5.

Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta

9 | P á g i n a

Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN)

Los colectores de tubos evacuados están formados, como su nombre lo indica, por un

tubo exterior de vidrio compuesto por dos capas y un tubo central de alimentación a

través del cual circula el fluido de trabajo. Las capas del tubo exterior, se encuentran

separadas por un espacio vacío; la capa interna es la placa absorbente mientras que la

capa externa funciona como cubierta (Figura 6).

Esta configuración propicia una mejor captación de radiación solar con una baja

emisividad de la superficie absorbente y la presencia del espacio vacío entre capas, lo que

evita que se presenten problemas de congelación del agua (Ibrahim, O. et al, 2013). En la

Figura 7 se puede observar un colector solar de tubos evacuados.

Figura 6 Estructura de un tubo evacuado

10 | P á g i n a

Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY)

Los concentradores parabólicos reciben ese nombre debido a que, mediante superficies

de espejos con forma parabólica, reflejan y centralizan los rayos solares en un tubo

absorbedor, que corre a lo largo de la longitud del concentrador (Figura 8). En el interior

del tubo absorbedor, se hace circular al fluido de trabajo que absorbe el calor por

contacto directo. El fluido de trabajo normalmente es una mezcla de agua y

anticongelante, ya que en este tipo de colector solar, a diferencia de los colectores de

placa plana y de tubos evacuados, es posible alcanzar temperaturas de hasta 400°C

(Ibrahim, O. et al, 2013).

Figura 8 Concentrador parabólico

11 | P á g i n a

El uso de este colector se encuentra limitado a zonas geográficas que cuenten con poca o

nula nubosidad la mayor parte del año debido a que obtienen el calor que requieren de la

incidencia directa de los rayos solares. Es por esto que cuentan con un sistema de

seguimiento de la trayectoria solar para garantizar que la superficie reflejante se

encuentre viendo al sol en todo momento del día, lo que los hace más complejos y

costosos, por lo que son empleados principalmente en procesos industriales y para

generación de energía eléctrica.

1.1.1.2 NORMAS VIGENTES

Las normas vigentes aplicables a los calentadores solares que se distribuyen en México

son las Normas mexicanas NMX-ES-001-NORMEX-2005 y NMX-ES-004-NORMEX-2010.

Estas normas son expedidas por la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S.

C (NORMEX), que forma parte de los Organismos Nacionales de Normalización (ONN),

organizaciones privadas encargadas de elaborar y emitir normas de carácter voluntario en

nuestro país (Medina Monroy, M. G. A, 2013). Esto quiere decir que no existe actualmente

una norma oficial mexicana (NOM) que obligue a los fabricantes de equipos para

calentamiento de agua sanitaria que emplean la energía solar como fuente de energía

primaria, para regular y garantizar un funcionamiento adecuado y seguro de los mismos.

1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad

de colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y

etiquetado

Esta norma se encarga de establecer los métodos de prueba para la obtención del

rendimiento térmico de los colectores solares comercializados en México que

proporcionen ACS en fase líquida, así como su etiquetado. Es elaborada con la finalidad de

12 | P á g i n a

promover el uso de la radiación solar como fuente principal de energía para la producción

de ACS, y de esta forma contribuir a la disminución de las emisiones contaminantes

derivadas del consumo de combustibles fósiles.

1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas

solares para calentamiento de agua. Método de prueba

Esta norma establece el método de prueba para la evaluación y comparación del

desempeño térmico de los sistemas de uso doméstico, que utilizan la energía solar como

fuente de energía para el calentamiento de agua sanitaria. A diferencia de la NMX-ES-001-

NORMEX-2005, cuyo campo de aplicación se limita a los colectores solares, ésta norma

considera a los sistemas solares que funcionan mediante circulación forzada o natural, a

partir de colectores solares planos, de tubos evacuados, auto contenidos, o con

concentradores parabólicos compuestos.

1.1.2 CALENTADORES DE GAS

En un calentador a gas o calentador de gas, la energía calorífica requerida para la

producción de agua caliente sanitaria proviene de la quema de combustibles fósiles,

específicamente, del gas natural y el gas L. P.

Está formado por la cámara de combustión, el intercambiador de calor, el quemador, el

piloto, un tubo de humo por donde salen los gases derivados de la combustión y un

aislamiento térmico, además de un sistema de control automático de temperatura

(integrado por un termostato y un termopar) y un sistema de encendido por presión. En

la Figura 9 se muestra un diagrama de los componentes principales.

13 | P á g i n a

Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico

Un calentador de gas de acuerdo a su funcionamiento puede ser de tres tipos (NOM-003-

ENER-2011, 2011):

Calentador de almacenamiento

Calentador de rápida recuperación

Calentador instantáneo

En un calentador de almacenamiento, se cuenta con un tanque que contiene, de acuerdo

a su capacidad, una cierta cantidad de agua caliente disponible en todo momento,

mientras que en un calentador instantáneo, no se requiere de un tanque de depósito, ya

que cuenta con un serpentín a través del cual fluye el agua que se va calentando en

función del caudal que se demande (Tecnos, 2014).

14 | P á g i n a

El calentador de rápida recuperación funciona de la misma forma que el calentador

instantáneo, sólo que utiliza uno o varios intercambiadores de calor en vez de un

serpentín, además de un pequeño depósito con el cual mantienen el agua a una

temperatura uniforme, y cuando se encienden la calientan de manera continua.

1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO

El piloto es el dispositivo en el que se produce la flama que enciende al quemador, a

través del cual penetra una mezcla de aire y gas, que al entrar en contacto con la flama

produce la combustión. Este proceso se lleva a cabo dentro de la cámara de combustión,

que se encuentra dentro de un tanque aislado con el exterior.

El sistema de control de temperatura está formado por un termostato que se encarga de

regular la cantidad de combustible en el quemador de acuerdo a la temperatura del agua,

obtenida a través de un termopar. Se cuenta también con una válvula de alivio de presión

para asegurar la salida de los gases de combustión que se liberan hacia la atmósfera por

medio del tubo de humo.

En un calentador de gas de almacenamiento, el calor que se produce por la quema del gas

es aprovechado para elevar la temperatura del volumen de agua que se encuentra en el

tanque de almacenamiento. En el calentador de tipo instantáneo, el agua no es

almacenada para ser calentada, sino que en ésta configuración, el agua fluye por dentro

de un tubo llamado serpentín, que se encuentra en contacto con los gases de combustión

y de ésta forma le es transmitido el calor (Figura 10).

15 | P á g i n a

Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo

1.1.2.2 NORMAS VIGENTES

Al ser la tecnología para calentamiento de agua más empleada en México, la existencia de

normas oficiales que regulen los calentadores de agua a gas es imperativa, así como la

continua actualización y verificación de las mismas.

Actualmente se cuenta en México con las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) NOM-003-

ENER-2011 y la NOM-011-SESH-2012 que, a diferencia de las NMX, son de carácter

obligatorio y son expedidas por dependencias públicas (Subsecretaría de Fomento y

Normatividad Ambiental, 2015).

16 | P á g i n a

1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso

doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado

Debido a la necesidad de incrementar el ahorro de energía mediante el uso de equipos de

calentamiento de agua de mayor eficiencia térmica y calidad, ésta norma establece los

niveles de eficiencia térmica mínima con la deben contar los calentadores de agua, ya

sean domésticos o comerciales, cuyo combustible sea el gas L.P. o gas natural.

De igual forma establece el método de prueba para la obtención de la eficiencia térmica y

los requisitos mínimos con los que debe cumplir el etiquetado comercial para ofrecer a los

consumidores la información necesaria para una adquisición satisfactoria del equipo.

1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que

utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad,

especificaciones, métodos de prueba, marcado e información comercial

(Cancela a la NOM-020-SEDG-2003)

Ésta norma contiene, al igual que la NOM-003-ENER-2011, los requerimientos mínimos

para garantizar el correcto funcionamiento de un calentador de gas, pero adiciona los

requisitos de seguridad que deben ser contemplados en éstos equipos.

17 | P á g i n a

1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS

Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico

El principio de funcionamiento de un calentador eléctrico es el Efecto Joule. Estos

dispositivos constan de un tanque de almacenamiento con una resistencia eléctrica en su

interior. La resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica, genera el calor que

es disipado hacia el agua e incrementa su temperatura. En la Figura 11 se muestran los

componentes de un calentador eléctrico.

1.1.4 BOMBAS DE CALOR

Una bomba de calor aplicada al calentamiento de agua sanitaria, es un dispositivo que

transfiere al agua la energía térmica que absorbe de un medio llamado zona fría o región

de baja temperatura, valiéndose de un aporte de trabajo. En este sistema de

calentamiento de agua, el calor que se requiere puede ser obtenido de varias fuentes,

como del aire exterior, mantos acuíferos, capas freáticas, y de la radiación solar.

18 | P á g i n a

Es una máquina térmica que funciona mediante un ciclo de compresión mecánica, por lo

que sus componentes principales son: un compresor, un intercambiador de calor, un

elemento de expansión, y un evaporador. Aunque es una tecnología que comenzó a

desarrollarse y comercializarse desde hace varias décadas, en países como México aún se

encuentra emergiendo a pesar de sus grandes ventajas ecológicas y potencial térmico.

El proceso de producción de ACS se conforma de varias etapas, además de que dentro del

mismo se ven involucrados varios factores y elementos que decretan la naturaleza de

dicho proceso, siendo el calentador el componente principal dentro del mismo, por lo que

su selección es determinante.

La selección de un calentador de agua depende mayormente de las necesidades del

usuario, influidas por la región en la que se encuentra, además de sus posibilidades

financieras. Aunque existen varias tecnologías de calentamiento de agua para el sector

residencial, el calentador a base de gas sigue siendo el más utilizado, a pesar de sus

desventajas ambientales, debido a su bajo costo de inversión inicial y popularidad.

Actualmente se encuentran en desarrollo otros equipos que proponen el

aprovechamiento de energías renovables, como la energía solar y el calor del medio

ambiente, para disminuir la producción de gases de combustión dañinos para el medio

ambiente al momento de producir agua caliente.

Sin embargo hace falta una mayor promoción y difusión de estos equipos, en conjunto con

normas oficiales que regulen su operación, para que el usuario conozca las ventajas de

otras tecnologías disponibles para el calentamiento de agua.

19 | P á g i n a

CAPÍTULO 2

BOMBAS DE CALOR

Dentro de este capítulo se presenta el principio de funcionamiento

de las bombas de calor, sus características y componentes

principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en la

bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, que

es el objeto de estudio. Además de lo anterior, en el segundo

capítulo se expone, a través del estado del arte, la situación actual

de los estudios realizados sobre el tipo de bomba pertinente en

cuanto a su desarrollo, así como su normalización y métodos de

prueba.

20 | P á g i n a

Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR

2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR

Una bomba de calor es una máquina térmica que transfiere energía en forma de calor de

una región de baja temperatura a una región de alta temperatura mediante un aporte de

trabajo y utilizando un fluido hacia y desde el cual transfiere el calor, llamado fluido de

trabajo. Su principal función es la de mantener la temperatura de algún espacio,

estructura o edificio, superior o inferior a la temperatura de sus alrededores. Figura 12.

El objetivo del ciclo de una bomba de calor es el de transportar el calor de salida hacia la

región de alta temperatura, es decir, el espacio que será calentado. En estado

estacionario, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, tenemos que: la energía

que se suministra a la región de alta temperatura por la transferencia de calor (𝑄𝑎), es

igual a la suma de la (𝑄𝑏), más la diferencia del trabajo de entrada o trabajo

suministrado neto (𝑊) (2.1). (Moran, M. J. et al, 2011).

|𝑄𝑎| = |𝑊| + 𝑄𝑏 (2.1)

Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor

21 | P á g i n a

La segunda ley de la termodinámica, predice la dirección de los procesos termodinámicos,

establece condiciones de equilibrio y determina los mejores desempeños teóricos de

ciclos y máquinas térmicas, por lo que aplicándola, podemos encontrar la ecuación para

representar los coeficientes máximos teóricos de operación (COP) para una bomba de

calor que opera entre dos regiones de temperatura, para su ciclo de refrigeración y el de

calefacción.

Para una bomba operando bajo el ciclo de Carnot, en su ciclo de calefacción, el coeficiente

de operación se expresa en la ecuación. (2.2).

𝐶𝑂𝑃 = |𝑄𝑎|

𝑊 Ec. (2.2)

Este coeficiente expresa la relación entre la energía térmica cedida y la energía eléctrica

absorbida por la máquina térmica. Para bombas de calor comercializadas en la Unión

Europea, el COP es medido con el equipo operando bajo condiciones regularizadas

establecidas en normas (EN 255/EN 14512/EN 16147). (Dimplex, 2015)

2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES

Los fluidos de trabajo empleados en los sistemas de refrigeración, dentro de los cuales

encontramos a las bombas de calor, son los refrigerantes.

Los refrigerantes son sustancias encargadas de absorber, transportar y rechazar calor a

través de un cambio de fase. Mediante su evaporación, el refrigerante absorbe el calor de

una zona para transportarlo y cederlo a otra zona, esta vez por medio del proceso de

condensación del mismo. Este cambio de fase del refrigerante se presenta en los ciclos de

refrigeración por compresión mecánica y compresión por absorción.

22 | P á g i n a

Se identifican por su fórmula química o su nomenclatura alfanumérica, que parte de la

fórmula química de cada refrigerante, siendo la segunda la más empleada.

Existen varios tipos de refrigerantes, clasificados de acuerdo a su composición química y a

sus propiedades.

Las propiedades del refrigerante influyen directamente en el diseño de un equipo de

refrigeración o bomba de calor, es por esto que se toman en cuenta ciertos parámetros en

la selección del refrigerante.

Los factores principales que intervienen en la selección de un refrigerante son:

Seguridad: La estabilidad química bajo las condiciones de uso de un refrigerante

es la característica más importante. Evitar riesgos de toxicidad e inflamabilidad.

Impacto ambiental: Su contribución a la degeneración de la capa de ozono e

influencia en el calentamiento global.

Rendimiento térmico: Propiedades físicas y termodinámicas del refrigerante.

SEGURIDAD

La Sociedad Americana de Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción, ASHRAE por

sus siglas en inglés, ha establecido una clasificación alfanumérica de seguridad del uso de

un refrigerante en su norma ANSI/ASHRAE Standard 34, en base a la inflamabilidad y la

toxicidad de los refrigerantes. Figura 13.

A cada refrigerante se le asignada una letra (A o B) de acuerdo a la toxicidad que

manifiestan en concentraciones de hasta 400 mL/m3, obteniendo la letra A cuando son

considerados no tóxicos. Cuando se presenta evidencia de toxicidad se les sitúa en el

grupo B.

23 | P á g i n a

Para la clasificación de inflamabilidad, se establecen 3 clases:

1: Para los refrigerantes que en aire, bajo condiciones de 18°C a 101 kPa, no presentan

propagación de flama.

2: Los refrigerantes con un límite de inflamabilidad inferior (Lower Flammability Limit, LFL)

mayor a 0.10 kg/m3 bajo condiciones de 21°C a una presión de 101 kPa, o con un calor de

combustión menor a 19 000 kJ/kg.

3: Los refrigerantes altamente inflamables, con un LFL menor o igual a 0.10 kg/m³ a 21°C y

101kPa, o con un calor de combustión igual o mayor a 19 000 kJ/kg.

Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34

24 | P á g i n a

Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma ANSI/ASHRAE 34

En la Figura 14 se muestran algunos refrigerantes y el grupo de seguridad al que

pertenecen de acuerdo a la clasificación de seguridad del ANSI/ASHRAE Standard 34, y se

puede observar que el refrigerante R134a se encuentra clasificado en el grupo de mayor

seguridad.

IMPACTO AMBIENTAL

El impacto ambiental, como su nombre lo indica, nos da una referencia sobre los efectos

negativos que significan el uso de un determinado refrigerante sobre el medio ambiente,

específicamente el daño que generan a la capa de ozono, expresado mediante el

Potencial de Agotamiento de la capa de ozono (ODP, por sus siglas en Inglés) y su

contribución al calentamiento global, la cual es indicada por el Potencial de Calentamiento

Global (GWP, por sus siglas en inglés).

El ODP expresa el impacto que cierta masa de una sustancia origina sobre la capa de

ozono con relación al impacto efectuado por la misma cantidad de masa del CFC-11 (R11).

Debido a que dicha sustancia es la que mayor potencial de destrucción de ozono tiene al

25 | P á g i n a

contener 3 átomos de Cloro en su molécula, es considerado para ésta un valor de ODP = 1.

El Cloro, al ser liberado en la estratósfera destruye el ozono, es por esto que los

refrigerantes que no contienen Cloro en su molécula, como los HFC

(Hidrofluoroclarbonos), entre ellos el R134a, cuentan con un ODP=0.

El GWP relaciona el calentamiento global ocasionado por una cierta cantidad de sustancia

con respecto al calentamiento producido por una masa similar de dióxido de carbono en

un periodo de tiempo determinado, por lo que el ODP del CO2 es considerado igual a 1. El

Potencial de Calentamiento Global del refrigerante R134a es de 1430.

Debido a su gran estabilidad molecular, los CFC se mantienen presentes en la atmósfera

durante muchos años, para eventualmente difundirse en la estratósfera, donde sus

moléculas se separan, liberando Cloro, elemento químico que contribuye en gran medida

a la destrucción progresiva de la capa de ozono. En la atmósfera baja sus efectos no son

menos significativos, ya que sus moléculas absorben la radiación infrarroja, contribuyendo

al calentamiento global.

En los HFC, un átomo de hidrógeno es sustituido por uno o más de los halógenos de una

molécula de CFC, lo cual disminuye el tiempo de vida del refrigerante en la atmósfera y

por lo tanto disminuyen en igual medida su impacto ambiental.

El Protocolo de Montreal es un acuerdo internacional creado con la finalidad de controlar,

e inclusive en un futuro erradicar, la producción y uso de sustancias que contribuyen a la

degeneración de la capa de ozono, incluyendo los refrigerantes que contienen Bromo y/o

Cloro en sus moléculas, como es el caso de los CFC y los HCFC.

26 | P á g i n a

RENDIMIENTO TÉRMICO

El rendimiento térmico de un refrigerante se refiere a su capacidad de proporcionar, de

forma rentable y confiable, el enfriamiento o calentamiento requeridos por el sistema,

está expresado en base a las propiedades termo-físicas del refrigerante y es asociado

directamente con la eficiencia térmica del equipo.

Algunas de las propiedades físicas más utilizadas de un refrigerante son: masa molecular,

punto de ebullición, punto de congelamiento, temperatura crítica, presión crítica,

volumen crítico, índice de refracción del líquido. De las cuales la más importante es el

punto de ebullición, ya que es la que determina directamente el rango de temperaturas

de uso de un refrigerante.

Otro factor importante que se debe considerar al utilizar un refrigerante es su

compatibilidad con los materiales empleados en la construcción del sistema de

refrigeración, ya que bajo ciertas condiciones de uso, determinados materiales pueden

afectar las propiedades del fluido de trabajo. Otro caso que puede presentarse es la

destrucción de ciertos materiales por su incompatibilidad con los refrigerantes, como

sucede con el cobre (Cu) y el Amoníaco (NH3).

2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR

Existen varios tipos de bombas de calor clasificadas de acuerdo a: los mecanismos de

transmisión utilizados, a los fluidos portadores de calor utilizados, así como también, de

acuerdo al tipo de fuente empleada para accionar el compresor, y a su construcción.

Las bombas de calor por compresión de vapor son las más comunes y son usadas en

aplicaciones de calefacción de espacios generalmente.

27 | P á g i n a

De acuerdo a los fluidos portadores de calor, tenemos:

Bomba de Calor aire-aire: El calor es obtenido del aire exterior y es transferido al

aire de la región que requiere calefacción o refrigeración.

Bomba de Calor aire-agua: El calor se obtiene del aire y se transfiere a un depósito

o circuito de agua que abastecerá una superficie (suelo, techo, piscina) o un

dispositivo (radiador) de agua caliente o fría, según se requiera.

Bomba de Calor geotérmica: En este tipo de bomba, la energía se obtiene del calor

del suelo, más específicamente, de cuatro fuentes: suelo superficial, lecho de roca,

aguas freáticas y aguas superficiales (lagos y ríos). Utilizan la temperatura

relativamente constante a lo largo del año de dichas fuentes para obtener calor de

ellas en temporadas frías, y para transferirle calor en temporadas calientes.

Encontramos dos tipos de configuraciones según su construcción: vertical y

horizontal.

Dentro de este tipo de bombas encontramos:

o Bomba de Calor agua-agua / agua-aire: El calor se obtiene de un circuito o

depósito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el

calor para transferirlo a otro circuito o depósito de agua (agua-agua) o bien,

directamente al aire de un espacio (agua-aire).

En este ejemplo de bomba de calor, las fuentes de energía son:

Aguas freáticas: Para esta opción se requiere la construcción de una

bomba de tipo vertical, y dos pozos, en uno de los cuales se

absorberá el calor y otro al cuál se cederá el calor.

28 | P á g i n a

Aguas superficiales: Se obtiene la energía de grandes depósitos de

agua, como lagos y se utiliza una construcción horizontal.

o Bomba de Calor suelo-aire / suelo-agua: Son bombas de calor que

transfieren el calor del suelo para calefacción y refrigeración de espacios

(suelo-aire) y/o depósitos de agua (suelo-agua).

Cuando la energía se obtiene de:

Lecho de roca: Se capta la energía almacenada en el suelo profundo

mediante un colector vertical.

Suelo superficial: La energía que absorbe la capa superficial del

suelo, del sol, la lluvia y el aire, es recolectada por un colector

horizontal.

Bomba de Calor solar-aire: Aprovechan la energía solar como fuente de calor para

usos de calefacción de espacios a través de corrientes de aire.

Bomba de Calor solar-agua: Absorben calor de la energía solar para calentar

circuitos o circuitos de agua.

Clasificándolas de acuerdo a la fuente para accionar el compresor:

Bomba de Calor eléctrica: Como su nombre lo indica, el compresor opera usando

un motor eléctrico.

29 | P á g i n a

Bomba de Calor con motor térmico: Se utiliza un motor de combustión de gas o de

algún líquido para hacer funcionar el compresor.

Según su construcción, encontramos:

Bomba de Calor compacta: Este tipo de bomba se llama así porque todos su

elementos se encuentran en un mismo compartimento.

Bomba de Calor partida (Split): Cuenta con un módulo exterior y otro interior en

donde generalmente se localiza la válvula de expansión y el compresor.

Multi Split: Sus componentes se encuentran divididos en una unidad exterior y en

varias interiores.

Cuando una bomba de calor obtiene calor, no únicamente de una fuente de energía,

encontramos a las llamadas bombas de calor híbridas. Entre ellas están:

Bomba de Calor asistida por energía solar (SAHP)

Este tipo de bombas pueden clasificarse a su vez en sistemas de expansión directa y

sistemas de expansión indirecta.

o Bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP)

En la expansión directa, refrigerante absorbe la energía solar mediante su paso por el

colector, que desempeña al mismo tiempo la función del evaporador, combinados en un

solo elemento. De esta forma, el fluido de trabajo abandona el colector/evaporador en

estado gaseoso.

o Bomba de calor de expansión indirecta asistida por energía solar (IDXSAHP)

30 | P á g i n a

En este tipo de sistemas, el intercambio de energía entre el refrigerante y el agua a

calentar se lleva a cabo de forma indirecta, mediante el uso de un fluido intermedio

portador de calor. A su vez, estos equipos pueden tener diferentes tipos de

configuraciones:

Sistema en serie

Sistema en paralelo

Sistema dual

Otras bombas de calor son:

Bombas de absorción: emplean un refrigerante, y como su nombre lo dice, un

absorbente. Realizan una compresión térmica, en vez de una compresión

mecánica, como la mayoría de las bombas de calor, y su ciclo termodinámico

depende de las propiedades de su absorbente y capacidad para atraer el fluido

refrigerante.

Bombas de calor por adsorción: utilizan la fijación de las partículas de un fluido a la

superficie de un sólido, el cual recibe el nombre de adsorbente, como sustituto de

un trabajo mecánico. No realizan un ciclo continuo, por lo que se puede considerar

que trabajan bajo dos ciclos, el de carga y el de descarga.

2.4 FUNCIONAMIENTO

Una bomba de calor está compuesta por: compresor, condensador, válvula de expansión y

evaporador, además de una válvula inversora de ciclo en algunos casos.

El fluido de trabajo en estado de vapor a baja temperatura transita por en el compresor,

que incrementando su presión, aumenta su energía interna y por tanto también su

temperatura. El fluido caliente se dirige al condensador, en el cual cede su calor a la región

31 | P á g i n a

de alta temperatura, logrando una condensación parcial del fluido para posteriormente

hacerlo pasar por la válvula de estrangulamiento o válvula de expansión, en donde

experimenta un proceso de estrangulamiento, o pérdida de presión, que deriva en una

pérdida de temperatura hasta que ésta regresa a su valor inicial. Para absorber calor

nuevamente de la llamada región de baja temperatura, el fluido de trabajo pasa por el

evaporador y el ciclo vuelve a comenzar. Para los equipos que cuentan con una válvula

inversora de ciclo, ésta se encuentra a la descarga del compresor, y como su nombre lo

indica, su función es invertir el ciclo en caso de ser requerido, mediante la transformación

del evaporador en el condensador y viceversa. Figura 15.

La eficiencia máxima depende únicamente de la temperatura de condensación y de

evaporación, por lo que a menor diferencia entre ambas temperaturas, mayor será la

eficiencia, y a mayor temperatura de evaporación más alto será el valor de dicha eficiencia

máxima.

Figura 15 Diagrama de una bomba de calor reversible

32 | P á g i n a

Mientras que la temperatura de la región de baja temperatura disminuye, el coeficiente

de operación de una bomba de calor de Carnot disminuye.

La Figura 16 es un Diagrama p-h que representa el proceso que experimenta el fluido de

trabajo (refrigerante) en un ciclo ideal de una bomba de calor por compresión de vapor.

De 1-2, el fluido pasa por la etapa de evaporación a presión constante.

En esta etapa, el fluido de trabajo absorbe calor de la región de baja temperatura,

aumentando su entalpía y sufriendo un cambio de fase de líquido a gas (vapor saturado).

De 2-3 se lleva a cabo la compresión y aumenta la presión del fluido, al igual que su

temperatura y entalpía, pasando de vapor saturado a vapor sobrecalentado. La etapa de

3-4 corresponde al paso por el condensador, en donde cede el calor a la región de alta

temperatura, regresa a su estado líquido y disminuye su temperatura. De 4-1 se observa

una disminución de presión abrupta al pasar por la válvula de expansión, donde el fluido

de trabajo, regresa a su condición inicial de presión y temperatura, para comenzar de

nuevo el ciclo.

Figura 16 Diagrama p-h del ciclo ideal de una bomba de calor

33 | P á g i n a

Figura 17 Diagrama T-s del ciclo ideal de una bomba de calor

En la Figura 17 se expone el diagrama T-s que muestra el comportamiento de un fluido de

trabajo que experimenta un ciclo ideal de bomba de calor por compresión de vapor. De 1-

2 el fluido es calentado, al pasar por el evaporador, a temperatura constante,

convirtiéndose en vapor saturado. De 2-3 hay un aumento de temperatura isentrópico, y

un aumento de presión al pasar por el compresor, para salir como vapor sobrecalentado.

De 3-4 pasa por el condensador donde es enfriado a temperatura y presión constante,

para salir como líquido saturado. De 4-1, la válvula de expansión disminuye la presión de

fluido hasta la presión de vaporización, de igual forma que su temperatura, para que el

fluido vuelva a comenzar el ciclo.

2.5 BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR

(DXSAHP)

La bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (de ahora en adelante

DXSAHP) suele ser abreviada de acuerdo a su nombre en inglés, Direct Expansion Solar

Assisted Heat Pump.

34 | P á g i n a

Este tipo de equipo aplicado al calentamiento de agua sanitaria es el sistema propuesto a

evaluar en el presente trabajo debido a sus características principales, que son: la

expansión directa y el uso de la energía solar como fuente de energía primaria.

Una ventaja de los sistemas de expansión directa es que, como su nombre lo dice, el

intercambio de calor se realiza directamente dentro del colector/evaporador combinados

en un mismo equipo, en donde el refrigerante absorbe la energía necesaria de la radiación

solar que incide sobre el evaporador.

Al valerse de la energía solar, se hace evidente el rasgo más atractivo de estos sistemas, ya

que al funcionar principalmente con un tipo de energía renovable, las ventajas

ambientales que derivan de su uso se magnifican.

La DXSAHP cuenta con dos circuitos, el circuito primario correspondiente al ciclo de

refrigeración y el circuito secundario que corresponde al módulo hidráulico.

El sistema de refrigeración, al igual que la mayoría de las bombas de calor, funciona

mediante un ciclo por compresión mecánica, por lo que además del colector/evaporador,

está compuesta esencialmente por un compresor, un condensador y una válvula o

dispositivo de expansión, como se muestra en la Figura 18.

Del punto 4 al 1, el refrigerante absorbe calor de la radiación solar a través de su paso por

el colector/evaporador mediante una expansión directa, y sale con una mayor

temperatura en forma de gas para dirigirse al compresor (del punto 1 al 2), en donde

aumenta su presión junto con su temperatura, para posteriormente realizar el

intercambio de calor entre el fluido de trabajo y el agua sanitaria (módulo hidráulico) en el

condensador (del punto 2 al 3). A la salida del condensador, del punto 3 al 4, el

refrigerante se encuentra parcialmente condensado y a una menor temperatura para

dirigirse a la válvula de expansión.

35 | P á g i n a

Figura 18 Componentes principales de una DXSAHP

El circuito secundario (sección izquierda de la Figura 18) no forma parte del ciclo de

refrigeración per se, sin embargo es un módulo fundamental dentro del proceso. Es en

donde circula el agua y está formado por un contenedor de agua (tanque de

almacenamiento del agua caliente), y una bomba hidráulica que procura el flujo necesario

de agua. En algunos casos se cuenta con una fuente de energía auxiliar que suele ser una

resistencia eléctrica para mantener la temperatura útil del agua caliente sanitaria.

2.6 ESTADO DEL ARTE

La idea de obtener un incremento en la eficiencia térmica de una bomba de calor

mediante el uso de una fuente de energía renovable y gratuita, como lo es la radiación

solar, fue concebida por Sporn y Ambrose en los años cincuenta (Krockenberger, K. et al,

2014), dando origen al concepto de Bomba de calor de expansión directa asistida por

energía solar (DXSAHP), que emplea tanto el calor del aire ambiente como el de los rayos

solares como fuente de energía.

36 | P á g i n a

Desde entonces se han llevado a cabo numerosos estudios, en diversas partes del mundo,

sobre el comportamiento de este tipo de equipos aplicados tanto al calentamiento de

agua sanitaria como a la calefacción y refrigeración de espacios en el sector residencial.

La relación entre el Coeficiente de desempeño (COP) del equipo y los parámetros que

influyen en su comportamiento, entre los cuales se encuentran las condiciones climáticas

y atmosféricas como las más importantes, ha sido evaluada por varios autores (Kugle et al

(1983); Nilufer –Egrican (1990); Chaturvedi et al (1996); Ito et al (1998); Hulin et al (1999);

Hawlader et al (2000); Huang y Chyng (2001); Naldi et al (2014)).

Yumrutas y Kaska (2004) evaluaron el desempeño de una DXSAHP, con almacenamiento

de energía, bajo las condiciones climáticas de la ciudad de Gaziantep en Turquía, y

encontraron que el COP del sistema es directamente proporcional a la temperatura de la

fuente de calor, que es función directa de la radiación solar. De forma similar en España,

Moreno Rodríguez et al (2012), mediante un modelo teórico aplicado al calentamiento de

agua, estudiaron la dependencia total entre el desempeño del equipo y las condiciones

climáticas, además de la influencia de la selección del refrigerante. A su vez, Chaturvedi et

al (2013) analizaron la viabilidad económica de una DXSAHP para calentar agua, mediante

un análisis termo económico bajo las condiciones climáticas de Norfolk, Virginia EUA,

encontrando que su uso es más eficiente en comparación con los calentadores eléctricos.

Chaturvedi et al (2008) encontraron que el COP alcanzado por el equipo es inversamente

proporcional a la diferencia de temperaturas entre los intercambiadores de calor y que el

área de colección solar es directamente proporcional al trabajo requerido por el equipo.

Se han realizado estudios enfocados a la obtención del área de colección solar óptima

requerida para este tipo de sistemas (Oda et al (1990); Aziz et al (1996)). Moreno

37 | P á g i n a

Rodríguez et al (2014) estudiaron la cantidad de calor absorbida en el colector/evaporador

de una DXSAHP mediante un modelo teórico. Demuestran que el cambio de fase del

refrigerante no se lleva a cabo en toda la superficie del colector, además de que la

temperatura en el condensador puede ser constante o variable dependiendo de la

aplicación del sistema. Aplicado el equipo a calefacción de espacios, la temperatura de

condensación depende tanto de las condiciones exteriores como interiores, mientras que

en un proceso de calentamiento de agua sanitaria, si se establece una temperatura fija

requerida en el tanque aislado de almacenamiento de agua, la temperatura de

condensación se considera constante.

También se ha estudiado el impacto ambiental de las bombas de calor, basado en el

análisis de ciclo de vida. Greening y Azapagic (2012) evaluaron las repercusiones

ambientales del uso de diferentes tipos de bombas de calor (agua-agua, aire-agua y

geotérmicas) en comparación con los calentadores de gas, encontrando que las primeras

no ofrecen ventajas significativas para el medio ambiente en Reino Unido. Posteriormente

(2013) los mismos autores presentaron otro estudio, pero en esta ocasión evaluaban el

impacto ambiental de los sistemas solares (colectores solares planos y colectores de tubos

evacuados), de igual forma bajo las condiciones atmosféricas de Reino Unido,

encontrando que su uso ayuda a reducir únicamente algunos impactos amplificando otros,

concluyendo que para regiones de baja radiación solar (800 - 1200 kWh/m2 por año) el

uso de los sistemas solares no es sostenible.

Sin embargo, Li et al (2015) presentaron un su trabajo las configuraciones disponibles más

empleadas para concentración de energía solar así como sus limitantes reales de

operación, con el objetivo de demostrar el potencial del uso de los concentradores de

energía para aumentar el rendimiento y efectividad de los colectores solares térmicos

(cuya función es primaria dentro de un sistema de DXSAHP) y alcanzar una mayor

eficiencia térmica incluso en condiciones pobres de radiación solar.

38 | P á g i n a

En complemento con lo anterior, igualmente se han realizado estudios que proponen

métodos de evaluación y comparación entre varios equipos en base a su COP, cuyos

valores encontrados varían entre 2-9 dependiendo de las condiciones exteriores y de la

eficiencia del colector/evaporador (Morrison et al (2003); Panaras et al (2013); Sami Buker

y Riffat (2015)).

Tagliafico et al (2014) presentaron un enfoque diferente del análisis de estado

estacionario de una DXSAHP, que describe de forma general e idealizada el

funcionamiento del sistema en función de sus características principales y su interacción

con sus alrededores, sin considerar las propiedades del fluido de trabajo, con la finalidad

de destacar el ahorro en el consumo de energía primaria principalmente.

Por otra parte, Huang y Lee (2006) proponen un método de prueba para evaluar el

desempeño de una DXSAHP en el cual únicamente son necesarios 5 parámetros: 1.

Radiación solar incidente instantánea sobre superficie horizontal, 2. Temperatura del aire

ambiente, 3. Temperatura del agua caliente en el tanque de almacenamiento, 4. Masa

total del agua caliente dentro del tanque y 5. Consumo de energía eléctrica total del

equipo.

Moreno et al (2013) desarrollaron un modelo matemático de una DXSAHP aplicada a

calefacción, validado experimentalmente para analizar el desempeño estacional, y

establecen que conociendo la temperatura de cada punto de operación del equipo, es

posible obtener el trabajo realizado por el compresor, así como la energía rechazada por

el condensador. También observan la dependencia entre la temperatura del condensador

y las condiciones exteriores (radiación solar, velocidad del viento y temperatura

ambiente), cuantificando dicha dependencia mediante “El término de arrastre” que

relaciona la variación de la temperatura del condensador con la variación de temperatura

en el evaporador.

39 | P á g i n a

Como se menciona en los párrafos anteriores, se han realizado diferentes valoraciones del

desempeño de este tipo de sistemas en diversas regiones, basadas en diferentes

propuestas y metodologías con varios parámetros de evaluación en común, no obstante

sigue sin existir un procedimiento normado aplicable a este tipo de bombas de calor que

apoye su comercialización.

La Norma Europea EN16147:2011 establece un método de prueba para evaluar

únicamente el desempeño de bombas de calor de tipo aire-agua, agua-agua y

geotérmicas, en base a ciclos de extracción de ACS establecidos en la misma. Facao y

Carvalho (2013) desarrollaron 2 propuestas de metodologías para evaluar el desempeño

de una DXSAHP considerando los ciclos de extracción de la Norma Europea y empleando

el Factor de desempeño estacional (SPF por sus siglas en inglés), analizando la influencia

de la temperatura diaria del aire, la temperatura de punto de rocío y la irradiación solar.

Gaigalis et al (2015) evaluaron las características termo económicas de la implementación

de las bombas de calor en Lituania para definir su potencial de ahorro de energía,

encontrando que, pese a sus ventajas tanto ecológicas como económicas, su potencial de

impacto depende ampliamente de su éxito en el mercado, el cual a su vez depende de su

promoción con el consumidor y de los sistemas de apoyo públicos, institucionales y

financieros.

En la siguiente tabla (Tabla 1) se muestran otras normas extranjeras vigentes que

describen un procedimiento de pruebas para determinar la eficiencia energética de las

bombas de calor aplicadas al calentamiento de agua. Sin embargo, al igual que la Norma

Europea, no consideran a las bombas de calor asistidas por energía solar.

40 | P á g i n a

Tabla 1 Normas extranjeras aplicables a bombas de calor

41 | P á g i n a

Tabla 1 (continuación) Normas extranjeras aplicables a bombas de calor

42 | P á g i n a

De lo anterior puede concluirse que se ha mantenido un creciente interés alrededor del

mundo por el desarrollo de este tipo de sistemas y su factibilidad para diversas

aplicaciones, entre ellas la producción de ACS en el sector residencial, desde su

concepción hasta la actualidad.

Su comportamiento no ha dejado de ser objeto de estudio, ya sea con la finalidad de

valorar oportunidades de mejora, alcanzar mayores valores de eficiencia energética en sus

sistemas, además de evaluar gastos de operación bajo diferentes condiciones climáticas, y

oportunidades reales de satisfacer las demandas de los consumidores en diversas

regiones. Es por esto que las DXSAHP comienzan a ser reconocidas como una opción

viable para reemplazar a las tecnologías convencionales en varios países de Asia y de la

Unión Europea.

Sin embargo, estos equipos no han logrado consolidarse en el mercado mundial, en parte

por la falta de promoción entre los usuarios y programas de apoyo de las instituciones

públicas, además de la carencia de normas que regulen su funcionamiento.

A pesar de los estudios que proponen métodos de prueba, recientemente algunos

encaminados a instaurar una norma, la naturaleza del funcionamiento de este tipo de

sistemas ha dificultado que se obtenga una metodología de ensayo aplicable en su

totalidad a estos equipos, que permita evaluar y compararlos de la misma forma para

cualquier región.

Por lo antes mencionado, la motivación de este trabajo surge del impulso de promover el

uso de tecnologías a base de energías renovables sobre las de combustibles fósiles en el

calentamiento de agua doméstica, mediante el desarrollo de una propuesta de método de

prueba para estos equipos en la Ciudad de México, que contribuya a una futura

elaboración de la norma que regule a estos sistemas e impulse su comercialización en

México.

43 | P á g i n a

CAPÍTULO 3

DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA

Este capítulo muestra la descripción de la instalación experimental

correspondiente a una bomba de calor de expansión directa asistida

por energía solar para el calentamiento de agua sanitaria propuesta.

Se despliegan los componentes de dicho sistema, que ejemplifica el

equipo hacia el cual va dirigido el método de prueba expuesto en el

trabajo presente. Se desarrolla el procedimiento de prueba basado

en la Norma Europea 16147:2011 “Bombas de calor con compresor

accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado de

equipos para agua caliente sanitaria”, mediante diagramas de flujo

y se puntualizan las modificaciones que se consideran necesarias

para su aplicación en bombas de calor asistidas por energía solar.

Además de lo anterior se presenta una metodología simplificada

para la evaluación de la eficiencia térmica de una DXSAHP.

44 | P á g i n a

Capítulo 3. DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA

3.1 DESCRIPCIÓN DE LA DXSAHP

En ésta sección del capítulo, se muestra una descripción de la instalación experimental de

la DXSAHP que será construida en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica

Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional, la cual ejemplifica el tipo de

equipo al que va dirigido el método de prueba planteado dentro de este trabajo.

Como se expresó anteriormente, el equipo funciona básicamente bajo un ciclo

termodinámico de compresión mecánica, por lo que los elementos principales que

compondrán al mismo, son: compresor, condensador, válvula de expansión y un colector-

evaporador, debido a que la transferencia de calor entre el fluido de trabajo y la fuente de

energía (Calor del medio ambiente) se realizará mediante expansión directa. El fluido de

trabajo seleccionado para la DXSAHP será el refrigerante R134A, Dupont SUVA 134a.

Debido a que el desempeño de la DXSAHP, y el impacto que sufren los componentes del

sistema durante cada etapa de su operación, se encuentran ampliamente ligados a las

condiciones del medio que rodea al equipo, es necesario tomar en cuenta las condiciones

climáticas para el diseño y construcción de una máquina térmica, así como para una

evaluación de su rendimiento.

Es por esto que, además de los componentes principales del sistema mencionados,

también se hace uso de elementos auxiliares, necesarios para regular el sistema y

garantizar el correcto y eficiente funcionamiento de la DXSAHP durante su operación e

interacción con las variaciones del medio que la rodea.

45 | P á g i n a

En la Figura 19, se muestra el diagrama esquemático de la instalación experimental de la

DXSAHP que será utilizada como base para este trabajo.

En el diagrama esquemático de la instalación experimental se muestran los 3 módulos

principales que conforman una DXSAHP: el módulo de compresión, el módulo de

evaporación y el módulo hidráulico.

En módulo de evaporación está formado principalmente por el dispositivo de expansión

(válvula reguladora de presión de evaporación), y por el colector-evaporador, que consta

de 8 evaporadores de placa plana, expuestos al medio y a la radiación solar, además de

una serie de válvulas de paso para dividir el campo de evaporación para un

funcionamiento con 4, 6 y 8 placas de manera simultánea. El colector-evaporador de la

instalación experimental se muestra en la Figura 36 del Apéndice 3.

Figura 19 Diagrama esquemático de la DXSAHP del LABINTHAP

46 | P á g i n a

El módulo de compresión, como su nombre lo indica, es en donde se lleva a cabo la

compresión del refrigerante y la transferencia de calor entre éste y el circuito secundario

(Circuito hidráulico), por lo que los componentes principales de este módulo son el

compresor y el condensador.

El compresor considerado es un compresor de alternativo de simple efecto, es decir que

cuenta con pistones que son accionados directamente a través de un perno y la biela del

cigüeñal. Los componentes más importantes de este tipo de compresor son las válvulas de

succión y de descarga (ASHRAE handbook: HVAC Systems and Equipment, 2000). Su

imagen se muestra en la Figura 37 en el Apéndice 3. El condensador de la instalación

experimental se observa en la Figura 38 en el Apéndice 3.

Además de los componentes auxiliares que son los siguientes:

Filtro deshidratador

Acumulador de succión

Válvula reguladora de presión

Presostato

Separador de aceite

Mirilla

Tanque recibidor

Para mayores detalles sobre estos componentes auxiliares refiérase al Apéndice 3.

Finalmente se tiene el módulo hidráulico, que como se expresó anteriormente, no forma

parte por sí mismo del ciclo termodinámico, se refiere al circuito secundario por el cual

fluye el agua de uso doméstico, y consiste de una bomba hidráulica y el tanque de

almacenamiento de agua caliente.

47 | P á g i n a

La tubería de la instalación es la siguiente:

Módulo de Compresión: Tubería de cobre flexible de 1/4”, 3/8” y 1/2" Diámetro

Nominal.

Módulo de Evaporación: Tubería de Cobre Rígida de 1/2” Diámetro Nominal.

Modulo Hidráulico: Tubería de Cobre Rígida:

o Aspiración de 38mm Diámetro Interior Nominal (~ 1 1/2”)

o Impulsión de 33mm Diámetro Interior Nominal (~ 1 3/8”)

3.2 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA DXSAHP

Existen normas que establecen métodos de pruebas para la evaluación del desempeño y

obtención de la eficiencia energética de los sistemas de bombas de calor aplicadas al

calentamiento de agua sanitaria, entre ellas, la norma europea UNE-EN-16147-2011. No

obstante, dichas normas no consideran la asistencia solar, y por lo que no son aplicables a

los tipos de bombas de calor cuya fuente principal de energía es la radiación solar, como

lo es la DXSAHP-WH.

En este apartado se muestra un procedimiento preliminar como una primera

aproximación del método de prueba final para la DXSAHP. Este procedimiento está

basado en el método de prueba señalado en la Norma Europea EN16147:2011 “Bombas

de calor con compresor accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado

de equipos para agua caliente sanitaria”.

48 | P á g i n a

En ésta norma se describe el método de prueba para bombas de calor de tipo: aire-agua,

salmuera-agua, agua-agua e intercambio directo-agua, aplicadas a calentamiento de agua

sanitaria únicamente. Las 6 etapas en las cuales se divide el procedimiento de evaluación

de este tipo de bombas de calor (Figura 20), serán evaluadas y modificadas para ser

aplicadas a una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, así como

los requisitos generales preliminares a las pruebas.

Es por lo anterior que primeramente serán descritos los requerimientos generales

seguidos de los procedimientos de ensayo, así como los diagramas de flujo que se han

desarrollado, para cada una de las etapas de prueba establecidas de la Norma Europea

EN16147:2011, para posteriormente realizar una identificación de los parámetros

empleados en dicha norma y los criterios de evaluación energética.

De esta forma podrá procederse a realizar las modificaciones necesarias para obtener una

metodología que pueda ser aplicada para evaluar el desempeño energético de una

DXSAHP.

3.2.1 REQUISITOS GENERALES DE PRUEBA (EN 16147:2011)

En la etapa de preparación previa a los periodos de prueba del equipo se asientan los

requisitos generales que se deben verificar, desde la instalación y conexión mecánica y

eléctrica del equipo (establecidos por el fabricante del equipo).

Se mencionan los parámetros de medición, los requerimientos que deben cumplir los

instrumentos de medición de acuerdo a la incertidumbre establecida y desviaciones de

medición permitidas.

49 | P á g i n a

Para algunos instrumentos de medición se describe la posición de instalación, sin embargo

no se establecen otros, como la posición de los sensores de temperatura dentro del

tanque de almacenamiento de agua caliente.

Además de lo anterior, se describen las características que debe reunir la cámara de

pruebas requerida por la norma para llevar a cabo las pruebas al equipo en condiciones

controladas y establecidas dentro de la misma norma. Esta es otra razón por la cual el

método descrito en la misma no es compatible con las bombas de calor asistidas por

energía solar, ya que no considera la influencia de las diferentes condiciones climáticas

que pueden presentarse a lo largo de su uso, y por lo tanto, los diferentes escenarios de

operación posibles del equipo.

En el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 47 del Anexo 1 se puede visualizar este

procedimiento.

Las tablas que se emplean en el procedimiento descrito se encuentran en el Apéndice A.1.

Analizando el diagrama de flujo de la Figura 47 podemos observar que, como se ha

mencionado anteriormente, varios pasos de este procedimiento de preparación no son

aplicables, no solamente al tipo de bomba de calor de expansión directa asistida por

energía solar, sino que tampoco a las condiciones climáticas de nuestro país. Además de

que al no ser un equipo comercializado, no existen especificaciones de fabricante, por lo

que tendrán que ser propuestas y modificadas a lo largo del estudio.

50 | P á g i n a

3.2.2 MÉTODO DE PRUEBA (EN 16147:2011)

Las 6 etapas registradas en la norma EN16147:2011 que constituyen el método de prueba

de una bomba de calor se muestran en la Figura 20 (UNE-EN 16147:2011, 2011):

Figura 20 Etapas y orden de los ensayos establecidos en la Norma Europea EN16147:2011

El objetivo de cada una de estas etapas será descrito en las siguientes secciones de este

capítulo, en conjunto con su metodología.

A. Periodo de calentamiento

B. Determinación de la potencia absorbida en

régimen estable

C. Determinación del consumo

energético y el COP

D. Determinación

de una temperatura de referencia

del ACS

E. Ensayo para determinar el rango de las

temperaturas de

funcionamiento

F. Ensayos de

seguridad

51 | P á g i n a

3.2.2.1 ETAPA DE PRUEBA A: PERIODO DE CALENTAMIENTO

La primera etapa de prueba del método descrito en la Norma Europea es llamada Periodo

de Calentamiento. En ella se determina el tiempo (th) y el aporte de energía (Wch)

necesarios para elevar la temperatura de un volumen de agua determinado desde la

temperatura inicial establecida como 10°C (indicada en la Tabla 9 ubicada en el Apéndice

1) hasta la temperatura de salida máxima requerida, que para esta norma se establece

como 55°C.

El volumen de agua a calentar se determina por la capacidad del tanque de

almacenamiento de agua de la bomba que requiera ser probada.

Las mediciones comienzan a partir de la puesta en marcha del compresor hasta su parada,

controlada por el termostato instalado en el tanque de almacenamiento de agua caliente.

Únicamente se considera la energía absorbida por el compresor durante el proceso.

En la Tabla 2 se muestra el cuadro que contiene las características principales de ésta

etapa. El procedimiento de la primera etapa de prueba se muestra en el diagrama de flujo

de la Figura 48 que se encuentra en el Anexo 1.

52 | P á g i n a

Tabla 2 Etapa de prueba A de la Norma Europea EN 16147:2011

53 | P á g i n a

Tabla 3 Etapa de prueba B de la Norma Europea EN16147:2011

54 | P á g i n a

3.2.2.2 ETAPA DE PRUEBA B: DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÉGIMEN

ESTABLE

La segunda etapa del método de pruebas consiste en obtener la potencia de la bomba de

calor en régimen estable, mediante la medición de la potencia eléctrica consumida a lo

largo de seis ciclos completos de arranque/parada del compresor, controlado por el

termostato ubicado en el tanque de almacenamiento de agua caliente, o durante un

periodo de 48 horas, lo que ocurra primero. Durante este periodo se considera que el

equipo ha alcanzado el estado estacionario.

El proceso debe llevarse a cabo sin realizar ningún tipo de extracción de agua caliente.

También se establece que debe ser considerada una corrección por la energía absorbida

por cualquier uso de ventiladores o bombas hidráulicas. Las características más

importantes de ésta etapa se muestran en la Tabla 3. El procedimiento de la etapa de

prueba se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 49 dentro del Anexo 1.

3.2.2.3 ETAPA DE PRUEBA C: DETERMINACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO Y DEL

COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA

SANITARIA MEDIANTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÓN DE REFERENCIA

Esta etapa de prueba consiste en la determinación del consumo energético de la bomba

de calor, pero a diferencia de la etapa anterior, en ésta se consideran en función de las

extracciones de agua caliente realizadas.

En el año 2002, la Comisión Europea creó el Mandato M/324, documento en el cual

declara la necesidad de definir una normalización de medidas para el consumo de energía

en le Unión Europea para todos los equipos o sistemas de producción de agua caliente.

55 | P á g i n a

Esta normalización se estableció en dicho mandato a través de los llamados “Ciclos de

extracción”.

Cada ciclo de extracción está compuesto por un conjunto de extracciones de acuerdo a su

tamaño. Los ciclos van desde el tamaño S (pequeño) formado por 11 eventos o

extracciones y con un volumen total de agua caliente extraída durante el ciclo completo

de 53 litros; hasta XXL (extra extra grande) que abarca 30 eventos y un total de 676 litros

de agua caliente extraída.

Las extracciones se indican en unidades de energía y volumen, y los valores utilizados en la

Norma europea EN 16147:2011, son los establecidos en el Mandato europeo M/324. Los

caudales de extracción indican el caudal de agua que debe recibir el tanque almacenador

de agua, en litros/minuto, para reestablecer la cantidad de agua extraída de acuerdo al

tipo de extracción.

Los caudales de extracción (Tabla 14), así como los ciclos de extracción (Tabla 15 – Tabla

19) empleados en la Norma Europea y establecidos en el Mandato M/324 se exponen en

el Apéndice 2.

El periodo de prueba por ciclo de extracción está determinado para una duración de 24

horas, sin embargo, el ciclo de ensayo debe comenzar y terminar inmediatamente

después de la última parada de la bomba, por lo que de ser necesario deberá prolongarse

hasta que el compresor de la bomba de calor complete un ciclo de arranque/parada.

Figura 21.

En la Tabla 4 y Tabla 5 se exponen las características principales de ésta tercera etapa. El

procedimiento de la misma de muestra en el diagrama de flujo de la Figura 50 del Anexo

1.

56 | P á g i n a

Figura 21 Ilustración de un ensayo de ciclo de extracción posible (Norma Europea EN16147:2011)

57 | P á g i n a

Tabla 4 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 1/2)

58 | P á g i n a

Tabla 5 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 2/2)

59 | P á g i n a

3.2.2.4 ETAPA DE PRUEBA D: DETERMINACIÓN DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA DEL

AGUA CALIENTE Y DEL VOLUMEN MÁXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE EN

CADA EXTRACCIÓN

De acuerdo con la norma europea, la temperatura de referencia es aquella determinada

como el valor promedio de las temperaturas medias registradas durante una extracción

(Norma Europea EN 16147, 2011). Dicha extracción finaliza cuando el valor de la

temperatura del agua obtenida se encuentra por debajo de la temperatura a la cual se

considera útil en dicha norma, es decir por debajo de los 40°C.

El volumen máximo de agua caliente útil está determinado por la temperatura de la

misma, por lo que se establece como el valor total de agua caliente que se obtiene de una

sola extracción a una temperatura de por lo menos 40°C.

En la Tabla 6 se muestran las principales características de ésta etapa.

El propósito de la cuarta etapa, como su nombre lo indica, es el de obtener el valor de la

temperatura de referencia y el volumen máximo de agua caliente útil que puede ser

extraído por evento. Por lo que esta prueba consiste en realizar una extracción constante

de agua caliente manteniendo un flujo másico regulado (10 ± 0.5 l/min), realizando

mediciones continuas de la temperatura de agua caliente, hasta que su valor sea inferior

al de la temperatura útil.

En la Figura 51 del Anexo 1 se muestra el procedimiento de la cuarta etapa de pruebas

mediante su diagrama de flujo.

60 | P á g i n a

Tabla 6 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011

61 | P á g i n a

3.2.2.5 ETAPA DE PRUEBA E: ENSAYO PARA DETERMINAR EL RANGO DE LAS TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO

Para determinar el rango de temperaturas de la fuente de calor dentro del cual es

funcional el equipo y corroborar que concuerde con los límites de uso indicados por el

fabricante, esta prueba se desarrolla en 2 periodos de calentamiento. A la temperatura

mínima de la fuente de calor (límite inferior de uso) y a la temperatura máxima de la

fuente de calor (límite superior de uso).

La Tabla 7 muestra las características principales de la quinta etapa.

Para el primer periodo de calentamiento se regula primeramente la temperatura mínima

de la fuente de calor al nivel del evaporador y debe mantenerse en el transcurso del

primer periodo de calentamiento. En ambas partes de la prueba, el primer paso consiste

en calentar el agua contenida dentro del tanque de almacenamiento, que previamente

requiere ser llenado con agua a la temperatura mínima de arranque.

La temperatura mínima de arranque es la temperatura que establece el fabricante a partir

de la cual el agua dentro del tanque requiere que le sea suministrado calor para elevar su

temperatura, lo que significa que es la temperatura del agua a partir de la cual el equipo

se pone en funcionamiento automáticamente.

El equipo debe calentar el agua del depósito hasta la temperatura máxima posible del

agua caliente, ajustada en el termostato al inicio de la prueba, también establecida por el

fabricante, hasta que el equipo se detenga.

62 | P á g i n a

Tabla 7 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011

63 | P á g i n a

Justo después del paro de la bomba, se extrae el 50% del volumen nominal del depósito

manteniendo un flujo volumétrico de 10± 0.5 l/min para obtener el valor medio de la

temperatura del agua caliente durante la extracción, que es el límite inferior para su

producción. El mismo procedimiento se repite con el segundo periodo de calentamiento

para obtener el límite superior de producción de ACS.

Se puede observar que en la tabla anterior, el procedimiento se hace mención acerca de

la regulación del caudal proveniente de la fuente de calor, el cual se establece de acuerdo

a las especificaciones del fabricante para el equipo operando bajo las condiciones de

ensayo A7/W35.

Esto es debido a que el coeficiente de rendimiento, o coeficiente de desempeño (COP)

para las bombas de calor aire/agua debe ser medido bajo condiciones normalizadas de

temperatura de aire de entrada al equipo y una temperatura de salida del agua caliente.

Lo anterior quiere decir que para la condición de ensayo A7/W35, el caudal debe regularse

para un flujo de aire de entrada a una temperatura de 7°C y obtener una temperatura de

agua de salida de 35 °C. Además de la condición A7/W35, típicamente también se emplea

la condición A2/W35, es decir para una entrada de aire a 2°C de temperatura (Dimplex,

2015).

El procedimiento de ésta etapa se despliega 3 diagramas de flujo. El diagrama de flujo

general del procedimiento de ésta etapa se expone en la Figura 52 del Anexo 1. Dentro del

mismo anexo, el diagrama de flujo de la Figura 53 muestra el procedimiento para el

primer periodo de calentamiento de la etapa de pruebas 5, mientras que el procedimiento

para el segundo periodo de calentamiento se puede observar en la Figura 54.

64 | P á g i n a

3.2.2.6 ETAPA DE PRUEBA F: ENSAYOS DE SEGURIDAD

Dentro de la sexta y última etapa se exponen las pruebas de seguridad necesarias a

realizar para garantizar un correcto funcionamiento de estos equipos y minimizar al

máximo los riesgos de operación para el usuario. Se muestran las características

principales en la Tabla 8.

Mediante la simulación de 2 fallos consecutivos, una vez que el equipo se encuentre

operando en régimen estable y manteniendo las condiciones de prueba establecidas en

los requisitos generales de ensayo del Apéndice 1 (Tabla 12 y Tabla 13), éste debe ser

capaz de mantener un desempeño adecuado aún después de ser expuesto a las siguientes

fallas:

1. Bloqueo de los caudales de los medios de transferencia de calor.

2. Fallo completo de la fuente de alimentación.

Mientras el equipo se encuentra en funcionamiento se produce agua de las

condensaciones, especialmente sobre la superficie del evaporador y con mayor frecuencia

en el periodo nocturno. Este condensado debe ser conducido de forma correcta hacia el

drenaje en todo momento sin permitir que se congele, con el fin de evacuar la cantidad de

agua que pueda llegar a producirse.

Es por lo que, además de las pruebas descritas en el párrafo anterior, se establece como

una tercera parte de la etapa de seguridad la observación del drenaje de las

condensaciones continuamente a lo largo de todo el proceso de pruebas y debe de

comprobarse que no se presenten goteras a través de los ductos.

65 | P á g i n a

Tabla 8 Etapa de prueba F de la Norma Europea EN16147:2011

66 | P á g i n a

Para este trabajo no será desarrollada una etapa de pruebas de seguridad para la bomba

de calor de expansión directa asistida por energía solar, ya que si bien se entiende su

importancia para avalar el desempeño seguro, además de óptimo del equipo dentro del

proceso de evaluación, no es una parte integral de este proyecto, cuyo objetivo principal

se centra en la estimación de la eficiencia energética y el COP de la DXSAHP.

En la siguiente sección se describen con más detalle el proceso para cada simulación de

fallo señalado. En la Figura 55 del Anexo 1 se puede ver el diagrama de flujo general

elaborado para ésta etapa.

3.2.2.6.1 BLOQUEO DE LOS CAUDALES DE LOS MEDIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Durante un periodo de al menos una hora, se lleva a cabo un bloqueo del caudal de

transferencia de calor, con la finalidad de comprobar que el equipo no sufra ninguna

avería durante y posterior a la prueba, que le impida operar correctamente una vez

reestablecido el flujo. El diagrama de flujo se muestra en la Figura 56 del Anexo 1.

3.2.2.6.2 FALLO COMPLETO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Consiste en la simulación de una suspensión completa de la fuente de alimentación

eléctrica del sistema durante un periodo de 5 segundos para comprobar que el equipo no

sufra daños durante y posteriormente a la prueba, así como el correcto desempeño del

mismo a continuación del re inicio del compresor. El diagrama de flujo se muestra en la

Figura 57 del Anexo 1.

67 | P á g i n a

3.3 METODOLOGÍA SIMPLIFICADA

La metodología propuesta en la Norma Europea EN16147:2011 es un procedimiento de

prueba extenso que se enfoca en la validación de cierto tipo de bombas de calor aplicadas

al calentamiento de agua sanitaria para su normalización, sin embargo en esta sección se

describe una propuesta de metodología para evaluar el desempeño de una bomba de

calor de expansión directa asistida por energía solar para el calentamiento de agua

sanitaria, cuya función es la de conocer de forma general el comportamiento que presenta

el equipo en base a su coeficiente de desempeño.

La metodología presentada a continuación está basada en el trabajo de B.J Huang y C. P

Lee de la Universidad Nacional de Taiwán (2006). En dicha metodología se propone que

para obtener una visión amplia del desempeño de este tipo de sistemas, como una

primera aproximación para obtener la eficiencia térmica del mismo, es necesaria la

medición de sólo 5 parámetros:

1. Irradiancia instantánea sobre un plano horizontal.

2. Temperatura ambiente.

3. Temperatura del agua caliente dentro del depósito.

4. Masa total del agua dentro del depósito

5. Energía eléctrica consumida total.

Este método, a diferencia de la Norma Europea, establece como requisito la hora de inicio

de prueba a las 9 am y finalizarla cuando el agua caliente al interior del tanque alcance la

temperatura de 55 °C, además de sugerir un periodo de muestreo de las condiciones

atmosféricas y parámetros de medición de 3 minutos.

68 | P á g i n a

Otro factor que se considera en este método es la estratificación del agua dentro del

depósito, que quiere decir que no todo el volumen al interior se encuentra a la misma

temperatura, lo que ocasiona que se formen capas de agua a diferentes temperaturas,

resultando en que el agua de mayor temperatura tienda a mantenerse más cerca de la

superficie, debido a la diferencia de densidades. Es por esto que también se establece

como requisito el uso de una bomba de circulación dentro del tanque de almacenamiento

para mezclar el agua previamente antes de cualquier medición de temperatura.

Se realizan los balances de energía para una DXSAHP considerando a la radiación solar y al

calor del medio ambiente como 2 fuentes de energía para la bomba, y se desarrollan para

2 posibles condiciones: que el equipo opere utilizando sólo una fuente de calor (calor

ambiente) y que el equipo emplee ambas fuentes de calor (radiación solar y calor

ambiente).

Se proponen determinadas correlaciones, verificadas experimentalmente, para cuando las

condiciones atmosféricas no favorezcan un aporte significativo de energía proveniente de

la radiación solar directa, es decir para días nublados, con una irradiancia diaria promedio

inferior a los 200 W/m2, y para días soleados (un valor de irradiancia diaria promedio por

arriba de los 200 W/m2).

En el siguiente diagrama de flujo (Figura 22) se muestra el procedimiento basado en el

trabajo descrito en los párrafos anteriores.

69 | P á g i n a

70 | P á g i n a

71 | P á g i n a

72 | P á g i n a

Figura 22 Diagrama de flujo de la metodología simplificada de prueba

73 | P á g i n a

En este capítulo se presentó y describió el diagrama esquemático del equipo aplicado al

calentamiento de agua sanitaria que será desarrollado en el LABINTHAP y que describe la

estructura y composición del sistema de una bomba de calor de expansión directa asistida

por energía solar. Posteriormente se desarrollaron dos métodos de prueba.

En primer lugar se muestra el método de prueba descrito en la Norma Europea EN

16147:2011, para el cual se elaboró el diagrama de flujo que expone con mayor claridad y

precisión el procedimiento de cada una de sus etapas. En segundo lugar se desarrolló un

diagrama de flujo que describe un procedimiento de prueba basado en un experimento

llevado a cabo en la Universidad Nacional de Taiwán.

En lo que respecta a la metodología descrita de acuerdo a la Norma Europea EN

16147:2011, el objetivo principal era el de establecer los requisitos que una bomba de

calor (de los tipos mencionados anteriormente) debía cumplir para poder ser

comercializada en la Unión Europea, por lo que la aplicación de este procedimiento es

más compleja y considera una mayor cantidad parámetros que la del segundo (como lo es

una etapa dedicada a corroborar la seguridad del equipo). Mientras que el objetivo de la

metodología simplificada desarrollada en el subcapítulo anterior, únicamente es el de

evaluar el comportamiento general de una DXSAHP bajo la influencia de diferentes

condiciones atmosféricas.

El propósito primordial de un método de prueba es el de evaluar de forma cuantitativa y/o

cualitativa un equipo y/o proceso, y dicha evaluación puede presentarse con diferentes

enfoques de acuerdo a las diferentes necesidades. En base a lo cual, primeramente es

imperativo conocer el funcionamiento, composición y limitantes del equipo, para

posteriormente seleccionar los criterios de evaluación a considerar, parámetros de

medición, condiciones, instrumentos e instalaciones de prueba, necesarios para cumplir

con el objetivo. Lo cual nos indica que un método de prueba puede ser tan general o

especializado como se requiera de acuerdo al propósito de su elaboración.

74 | P á g i n a

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En este capítulo se presentan los parámetros que influyen

en el desempeño de una DXSAHP, necesarios para valorar

el rendimiento de estos sistemas. Se muestran las gráficas

que representan el comportamiento de la DXSAHP bajo las

condiciones ambientales de la Ciudad de México,

obtenidas a partir del modelo de simulación numérica

desarrollado por el M.C Jorge Ernesto De León Ruíz en su

trabajo de tesis de maestría Modelo matemático y diseño

de una bomba de calor de expansión directa asistida por

energía solar para calentamiento de agua. Dichas gráficas

son analizadas para exponer la influencia que supone cada

uno de los diferentes parámetros al evaluar la eficiencia de

este tipo de equipos y su consecuente implicación en el

método de prueba.

75 | P á g i n a

Capítulo 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1 INFLUENCIA DE LOS PARÀMETROS EVALUADOS EN EL COEFICIENTE DE

DESEMPEÑO DE LA DXSAHP

La eficiencia térmica de una bomba de calor es valorada comúnmente mediante su

coeficiente de desempeño o coeficiente de operación (COP) como se ha mencionado

anteriormente. Al evaluar el COP de una DXSAHP, la asistencia solar presume un

incremento de dicho valor en comparación con otro tipo de bombas que no aprovechan la

radiación solar de manera directa.

Sin embargo, así como el uso de una fuente de energía renovable y gratuita, como lo es la

energía solar, representa una ventaja en este tipo de equipos, existen problemas

inherentes a su naturaleza. Un ejemplo es la variación en la intensidad de la radiación

solar a lo largo del día e incluso del año en algunas regiones, por lo que deben ser

considerados medios de almacenamiento de energía por la noche y durante los periodos

de baja radiación.

La energía solar que puede ser aprovechada por este tipo de sistemas se encuentra sujeta

a interrupciones impredecibles debido a condiciones atmosféricas y climáticas, como

nubosidad, viento, lluvia, nieve, entre otras, por lo que se debe de aprovechar al máximo

la entrada de energía solar mediante el uso eficaz de la energía a las temperaturas más

bajas posibles.

Es por lo anterior que, además de la radiación solar, existen otros parámetros que influyen

directa o indirectamente sobre la operación de una bomba de calor de expansión directa

asistida por energía solar, y por consiguiente, que desempeñan un factor importante al

momento de obtener una valoración sobre su eficiencia térmica.

76 | P á g i n a

En la siguientes subsecciones de este capítulo se describen los parámetros generales más

importantes que intervienen en el proceso de transferencia de calor de una DXSAHP,

considerados en este trabajo.

4.1.1 HUMEDAD

La humedad indica la cantidad de agua, en forma de vapor, presente en el aire ambiente

y es un factor que influye de manera importante en el comportamiento de los equipos

para calentamiento de agua asistidos por energía solar, como lo es la DXSAHP.

La humedad relativa es la humedad que posee cierta cantidad de aire con relación a la

mayor cantidad de humedad absoluta que podría contener conservando la misma

temperatura y presión atmosférica, es decir, sin que se produzca ninguna condensación,

por lo que se expresa en porcentaje (%). Al depender de la temperatura del aire y la

presión atmosférica, es diferente en cada región. En la Ciudad de México, la humedad

relativa promedio varía a lo largo del año entre el 46% y el 71% (Materias Primas

Pochteca, 2016), encontrando los valores más altos de humedad relativa en la mañana y

en el periodo nocturno. En la Figura 23 se muestran los valores de humedad relativa

correspondientes al día 04 de Mayo de 2016 (CONAGUA, SMN, 2016), y se presenta de

forma representativa para observar la variación de la humedad relativa a lo largo del día.

La humedad relativa refleja de forma directa el potencial de evaporación de un fluido. Los

efectos de la humedad en los sistemas solares se ven reflejados cuando se presenta un

exceso de vapor de agua en el aire, o dicho de otra forma, cuando la humedad relativa se

encuentra muy cercana al punto de saturación (100%), lo que propicia una condensación

excesiva en los intercambiadores de calor, principalmente en el evaporador, ya que su

superficie se encontrará a una temperatura muy por debajo de la del punto de rocío.

77 | P á g i n a

Figura 23 Humedad relativa a lo largo del día en la Cd. de México

La película de condensación que se forma en la superficie del intercambiador de calor

actúa como una resistencia térmica al flujo de calor, que deriva en una disminución de la

eficiencia del mismo, afectando el rendimiento de todo el sistema. Lo mismo ocurrirá

cuando se forme escarcha o inclusive una capa de hielo en la superficie del colector-

evaporador durante la temporada invernal.

4.1.2 VELOCIDAD DEL VIENTO

El refrigerante que fluye a través del colector-evaporador de la DXSAHP, experimenta un

cambio de fase al absorber la energía calorífica presente en el medio ambiente por

convección. Este mecanismo de transferencia de calor, cuando es producido únicamente

por el movimiento de los fluidos debido a su diferencia de densidades, es llamado

convección libre, mientras que cuando se presenta la fuerza externa del viento, que

mueva el aire sobre una superficie a diferente temperatura, es llamada convección

forzada. Sobre la superficie del colector-evaporador tendrán lugar ambos mecanismos de

transferencia de calor por convección por lo que el análisis detallado debe incluir el

cálculo del número de Richardson que los relaciona.

78 | P á g i n a

Figura 24 Gráfica de Tiempo de trabajo del compresor contra Velocidad del viento

En la gráfica, mostrada en la Figura 24, se muestra el efecto de la velocidad del viento

sobre el tiempo de trabajo del compresor para varios valores de temperatura de agua

caliente. Se puede observar que sin importar la temperatura de agua caliente deseada,

una mayor velocidad del viento incrementa el flujo de calor absorbido por el refrigerante

en el colector-evaporador, lo que se traduce en un menor tiempo de trabajo del

compresor, y a su vez en un menor consumo de energía eléctrica por parte del mismo.

Esto impacta de forma positiva en la eficiencia del equipo.

Para una velocidad del viento de 1.5 m/s, que es el valor promedio diario en la Ciudad de

México (De León Ruiz, J.E, 2015), el compresor trabajaría por un periodo de

aproximadamente 2.6 h para alcanzar una temperatura de agua caliente de 60° C, sin

embargo, con una velocidad del viento de 7 m/s el tiempo de trabajo del compresor se

79 | P á g i n a

reduce únicamente a 2.5 h, por lo que los resultados obtenidos muestran que el efecto de

la velocidad del viento es mínimo, significando una reducción del 4% del tiempo de

compresión.

Por otra parte, la intensidad de la transferencia de calor por convección es proporcional al

coeficiente de película, que relaciona el flujo de calor entre una superficie y el aire

ambiente, como función de la diferencia de temperaturas entre ellos. El coeficiente de

película depende a su vez de la velocidad del flujo. A mayor velocidad del viento, la

velocidad del flujo de aire es superior, incrementando el coeficiente de película y

propiciando un mayor flujo de calor por convección.

Es por esto que en la realidad, la velocidad del viento actúa de dos formas sobre el

desempeño de la DXSAHP. Cuando el aire se encuentra a una mayor temperatura que la

superficie del colector-evaporador, una mayor velocidad del viento favorece la

transferencia de calor del medio ambiente hacia la superficie, mientras que cuando el

colector-evaporador se encuentra a mayor temperatura que el aire ambiente, por ejemplo

durante un día soleado, el viento incrementa la disipación de calor lo que representa en sí

una pérdida de calor. Para estudiar estos dos comportamientos se requiere hacer una

investigación experimental, lo que queda fuera de los alcances del presente trabajo.

4.1.3 VOLUMEN DE AGUA

La cantidad de agua contenida en el tanque de almacenamiento de agua caliente debe ser

la necesaria para satisfacer las necesidades de ACS de una vivienda, por lo que para el

dimensionamiento del mismo, es imperativo tomar en cuenta los diversos factores que

influyen en el consumo de agua caliente, siendo el más importante, el número de

personas que constituyen el hogar. Como recomendación práctica se considera un

consumo total de 75 litros de agua caliente por persona al día (ANES, 2006).

80 | P á g i n a

Figura 25 Gráfica de Flujo de calor cedido contra Temperatura de agua caliente

En la gráfica de la Figura 25 se muestra el flujo de calor cedido al agua en función de la

temperatura de agua caliente que se desea obtener a la salida, para 3 diferentes

volúmenes de agua, y se puede observar una relación prácticamente lineal.

A partir de la gráfica podemos expresar que la cantidad de calor cedida al agua debe ser

mayor con relación al volumen de agua para alcanzar la temperatura de agua caliente

esperada. Para una temperatura de agua caliente de 40 °C, la disminución en la cantidad

de agua de 0.3 m3 a 0.1 m3 representa un decremento de aproximadamente el 65 % en el

flujo de calor que debe entregarse al agua. Mientras que para una temperatura de agua

deseada, de 60° C, el flujo de calor para un tanque de almacenamiento de 0.3 m3 debe ser

casi 3 veces mayor que para uno de 0.1 m3.

81 | P á g i n a

Un aumento en el flujo de calor representa mayor cantidad de energía suministrada al

agua por lo que el volumen de agua a calentar también es otro parámetro que influye en

el comportamiento de la DXSAHP y repercute en su eficiencia térmica. Debido a esto,

debe considerarse adecuadamente la capacidad del tanque de almacenamiento de agua

caliente para evitar un sobredimensionamiento en el mismo que obstaculice un

desempeño óptimo del sistema.

4.1.4 RADIACIÓN SOLAR

La energía térmica radiante proveniente del sol, encargada de calentar al planeta, llega a

la tierra a través de ondas electromagnéticas con longitudes de onda entre 0.1 𝜇𝑚 (rayos

X) a 100 𝜇𝑚 (ondas de radio) (ASHRAE handbook: HVAC Applications, 1999). Al pasar por

la atmósfera terrestre, parte de la radiación del sol se dispersa por el nitrógeno, el oxígeno

y otras moléculas. Otra fracción de esta energía radiante se ve atenuada por absorción en

la capa de ozono y por una serie de bandas de absorción causadas por vapor de agua,

dióxido de carbono y ozono, y partículas suspendidas.

La radiación solar se expresa en términos del flujo de energía instantánea recibido por

unidad de superficie, conocido como irradiancia (W/m2), o en términos de la irradiación,

que es el flujo de energía solar recibido en un periodo determinado de tiempo por unidad

de superficie (kWh/m2). La irradiación global es la radiación solar total que incide sobre

una superficie, y por su comportamiento se divide en tres componentes: directa, difusa y

reflejada.

Los rayos solares que llegan a la superficie terrestre sin sufrir ninguna desviación a través

de su paso por la atmósfera, son conocidos como radiación solar directa, mientras que la

energía radiante dispersada y recibida a través de las nubes es denominada radiación

difusa y una parte de ella va a la superficie mientras que otra vuelve al espacio. La

radiación reflejada es la suma de la radiación directa y difusa recibida en la superficie.

82 | P á g i n a

La intensidad con la que se presenta la radiación solar sobre cualquier superficie terrestre,

además de la dispersión y atenuación antes mencionada, se encuentra sujeta a varios

factores, como la naturaleza de la superficie, la ubicación geográfica, la topografía del

terreno, en conjunto con factores estacionales y meteorológicos.

En México, el potencial solar es significativo ya que es un país con una incidencia de

energía solar alta en la mayor parte de su territorio, con una radiación solar promedio

anual que va desde los 4.4 kWh/m2 en la zona central, hasta 6.3 kWh/m2 en la zona norte.

Específicamente para la Ciudad de México, el valor de irradiación promedio al día es de

3.5 kWh/m2 (CONAGUA, 2016), un valor promedio de 6.06 horas de sol por día, y tomando

en cuenta el valor promedio de la temperatura ambiente de 23.5°C, debido a que esta es

la temperatura promedio máxima y dicho valor nos indica la temperatura del flujo de calor

de aire al cual estará expuesto el colector-evaporador y el tanque de almacenamiento de

agua caliente (De León Ruiz, J.E, 2015). Dichos valores fueron los considerados en el

modelo matemático para evaluar la influencia de la radiación solar en el desempeño de la

DXSAHP.

En la gráfica que se muestra en la Figura 26, se muestran los valores obtenidos para el

coeficiente de desempeño del equipo en función de la temperatura de salida del agua

caliente, para el equipo operando bajo la influencia de la asistencia solar y sin la asistencia

solar.

En dicha gráfica se puede apreciar cómo influye la radiación solar en el desempeño del

equipo. El máximo coeficiente de operación obtenido del equipo funcionando sin

asistencia solar, para una temperatura de agua caliente requerida a la salida de 40° C es

de 4.3, mientras que el máximo obtenido por el sistema trabajando con ayuda de la

radiación solar es de 6.8, con lo que se puede estimar un incremento de

aproximadamente el 30% en el COP.

83 | P á g i n a

Otro factor importante en esta gráfica es la temperatura requerida del agua caliente a la

salida, ya que se observa que el COP disminuye en función de la temperatura del agua a la

salida. Mientras mayor sea la temperatura deseada del agua caliente, menor será el

coeficiente de desempeño que obtendremos por parte del sistema. Cuando se incrementa

la temperatura del agua caliente a la salida de 40° C a 60° C, el COP disminuye a 2.8 sin

asistencia solar, y a 4.8 con asistencia solar.

De lo anterior podemos observar que la asistencia solar influye de forma positiva en la

eficiencia de la DXSAHP, ya que sin importar la temperatura de agua caliente a la salida, el

valor del COP obtenido cuando el equipo opera con ayuda de la radiación solar es

considerablemente mayor que el obtenido para la condición sin asistencia solar.

Figura 26 Gráfica de COP contra Temperatura de agua caliente

84 | P á g i n a

4.1.5 TEMPERATURA AMBIENTE, TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE Y CONSUMO

TOTAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La temperatura ambiente en la Ciudad de México está determinada por el clima de la

región, mismo que a su vez se ve influenciado por varios factores, como las condiciones

atmosféricas, su ubicación geográfica, y distribución de tierra y agua.

La ciudad de México, por su posición geográfica, forma parte de las zonas con clima

templado, por lo que generalmente, se registran temperaturas ambiente promedio de

10°C a 18°C y de 18°C a 22° C, y en algunos casos inferiores a los 10° C (CONAGUA, SNM,

2016). Sin embargo, como consecuencia del calentamiento global y los cambios climáticos

derivados del mismo, en los últimos años se han presentado temperaturas fuera de los

rangos promedio.

Para calcular el consumo de energía eléctrica total de la DXSAHP debe ser considerada,

además de la potencia absorbida por el compresor, la absorbida por el total de los

elementos eléctricos del sistema, como bombas de líquido y resistencias eléctricas que

son incluidas en algunos equipos para satisfacer la demanda de agua caliente en caso de

que las condiciones ambientales no favorezcan la obtención del total de calor necesario

del medio ambiente. Cabe mencionar que en este apartado únicamente se considera la

potencia absorbida por el compresor.

El consumo de energía eléctrica del compresor se ve influenciado directamente por la

temperatura ambiente y la temperatura de agua caliente requerida. Dicha relación se

muestra a continuación mediante la gráfica de la Figura 27.

85 | P á g i n a

Figura 27 Gráfica de Trabajo de compresión contra Temperatura de agua caliente

En la gráfica se refleja el consumo de energía eléctrica mediante el trabajo de compresión

para diferentes valores de temperatura de aire ambiente en función de la temperatura de

agua requerida a la salida. Se puede observar que existe una relación directa entre la

diferencia de temperaturas y el consumo de energía eléctrica. A mayor diferencia entre la

temperatura ambiente y la temperatura del agua deseada, es necesario un mayor trabajo

de compresión para alcanzar el propósito del equipo que es calentar agua.

4.2 COEFICIENTE DE DESEMPEÑO

Como se mencionó anteriormente en este trabajo en la sección 2.1, la eficiencia de una

bomba de calor se determina mediante su Coeficiente de desempeño o coeficiente de

86 | P á g i n a

operación (COP), que relaciona la potencia térmica cedida entre la potencia eléctrica

absorbida. Debido a la naturaleza de esta máquina térmica, su rendimiento depende

mayormente de las condiciones climáticas y atmosféricas de la región de operación, y

existen varios parámetros que intervienen en la evaluación del mismo, siendo discutidos

previamente en este capítulo los principales, mismos que fueron considerados en el

modelo matemático utilizado para obtener las gráficas mostradas (De León Ruiz, J.E,

2015).

Los valores de eficiencia obtenidos para una DXSAHP operando bajo las condiciones de la

Ciudad de México, se visualizan por medio de la siguiente gráfica de la Figura 28 mediante

el COP del sistema en función de la temperatura del agua caliente, bajo varias condiciones

de temperatura ambiente.

En la gráfica se observa que el COP se comporta de forma inversa a la temperatura de

agua caliente requerida. También puede apreciarse una pendiente mayor conforma

aumenta la temperatura ambiente. Mientras que para una temperatura ambiente de

10°C, los valores del COP se encuentran, para un rango de temperaturas de agua caliente

entre 40° C y 60°, entre 2.3 y 3.2 aproximadamente; a una temperatura ambiente de 35

°C, el equipo presenta valores superiores de COP, entre 3.3 y 5.5.

Los valores obtenidos y registrados por equipos de características similares, evaluados en

otros estudios alrededor del mundo, varían entre 2 y 9 (Buker, M. S & Riffat, S. B., 2015)

por lo que los valores obtenidos para el diseño de DXSAHP considerado en este trabajo,

se encuentran dentro del rango.

87 | P á g i n a

Figura 28 Gráfica de Coeficiente de desempeño contra Temperatura de agua caliente

4.3 PROPUESTA FINAL DE METODOLOGÌA DE EVALUACIÒN DE LA EFICIENCIA

TÈRMICA

En esta sección se muestra la metodología propuesta para evaluar la eficiencia térmica de

una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, tomando como pauta

la Norma Europea EN 16147:2011 y la metodología simplificada desarrollada por Huang y

Lee (2006) descrita en la sección 3.3. El método propuesto se compone de 5 etapas: 1.

Periodo de calentamiento; 2. Obtención de la potencia absorbida en régimen estable; 3.

Determinación del consumo energético y el coeficiente de desempeño mediante el uso de

los ciclos de extracción; 4. Determinación de una temperatura de referencia y volumen

88 | P á g i n a

máximo utilizable de ACS; 5. Rango de temperaturas de funcionamiento. El procedimiento

previo en donde se especifican los requisitos generales para evaluar la DXSAHP se

muestran en el diagrama de flujo del Anexo 2.

La metodología simplificada, que como se mencionó, expone un procedimiento más

rápido de evaluación para obtener una estimación general del comportamiento del

equipo, contribuyó en el desarrollo del método propuesto para la inclusión y valoración de

la asistencia solar, parámetro que no intervienen en el método de pruebas de la Norma

Europea, por medio de la medición de la irradiancia solar sobre el plano horizontal para

obtener la radiación solar diaria. Además del tiempo de muestreo de 3 minutos sugerido

para medir las condiciones ambientales y el establecimiento de una hora de inicio de

prueba (9 am).

Como se mencionó anteriormente, se entiende la importancia de las pruebas de seguridad

al equipo, sin embargo no será desarrollada una etapa de pruebas de seguridad para la

bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar al no ser una parte integral

del proyecto, cuyo objetivo se centra principalmente en la estimación de la eficiencia

energética de la DXSAHP.

No obstante, existen normas para colectores solares aplicados al calentamiento de agua

sanitaria en el sector residencial que incluyen pruebas de seguridad en los métodos de

prueba para la evaluación de su rendimiento, mismas que pueden ser aplicadas a las

bombas de calor asistidas por energía solar, como la Norma Mexicana de NORMEX, NMX-

ES-001-NORMEX, que con objeto de comprobar la resistencia y capacidad de operar bajo

las condiciones de presión a las que el colector solar se verá sometido, establece una

prueba de presión estática a la cual debe someterse el colector, previamente a su

exposición a la radiación solar.

89 | P á g i n a

4.3.1 ETAPA 1: PERIODO DE CALENTAMIENTO

Las modificaciones principales realizadas en ésta primera etapa de prueba comienzan con

la temperatura inicial del agua (10°C). No puede ser considerado el mismo valor debido a

que el clima de la Ciudad de México, al ser templado sub-húmedo (SMN, 2016), la

temperatura promedio anual a la que la red pública entrega el agua potable a los

inmuebles ubicados en el Distrito Federal es de 15.5 °C (Norma ambiental, NADF-008-

AMBT-2005, 2005).

De igual forma puede observarse que en el procedimiento de prueba descrito en la Norma

Europea, para el periodo de calentamiento inicial no es considerada la energía aportada

por la radiación solar, y es por esto que es necesario incluir un proceso de medición de

este parámetro dentro del método propuesto. En esta y en las subsecuentes etapas de

prueba se evalúa la asistencia solar del equipo de acuerdo a la propuesta por la

metodología simplificada, mediante la medición de la irradiancia solar sobre el plano

horizontal. Dicha medición se realiza siguiendo de acuerdo a las especificaciones del

fabricante del equipo requerido (pirómetro). La hora propuesta de inicio de la prueba es a

las 9 am.

La cantidad de energía solar disponible al momento de llevar a cabo la primera etapa de

prueba influirá directamente en el periodo de calentamiento, además de la energía

consumida por el compresor. Se espera encontrar una relación inversa entre ésta y la

radiación solar disponible.

A continuación, en la Figura 29 se muestra el diagrama de flujo del procedimiento de

prueba modificado para la primera etapa de evaluación de la DXSAHP, señalando las

modificaciones realizadas con recuadros color verde.

90 | P á g i n a

91 | P á g i n a

Figura 29 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 1 para la DXSAHP

92 | P á g i n a

4.3.2 ETAPA 2: OBTENCIÒN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÈGIMEN ESTABLE

En la etapa de prueba 2, nuevamente el principal parámetro que no es considerado es la

asistencia solar, ni las variaciones en las condiciones climáticas a lo largo de la prueba, por

lo que para el desarrollo de la segunda etapa se propone la inclusión de un sistema de

adquisición de datos que monitoree de forma periódica las condiciones atmosféricas

durante la prueba. Además de lo anterior no se encontraron diferencias importantes que

debieran ser consideradas.

El diagrama de flujo de la segunda etapa de prueba se muestra a continuación en la Figura

30, señalando las modificaciones realizadas con recuadros color verde.

93 | P á g i n a

94 | P á g i n a

Figura 30 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 2 para la DXSAHP

95 | P á g i n a

4.3.3 ETAPA 3: DETERMINACIÒN DEL CONSUMO ENERGÈTICO Y EL COEFICIENTE DE

DESEMPEÑO MEDIENTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÒN

Debido a que es importante para el desarrollo del método de prueba propuesto en este

trabajo considerar la asistencia solar y las variaciones en las condiciones atmosféricas

durante todas las etapas de la prueba, como se ha venido mencionando, además de

considerar el uso de un sistema de adquisición de datos, se debe tomar en cuenta el

horario dentro del cual se realizarán las pruebas.

Para esta tercera etapa, se consideran periodos de prueba de 24 horas aproximadamente

por cada ciclo de extracción de agua caliente seleccionado para determinado equipo, en

base a su capacidad. En México no existe un equivalente a los ciclos de extracción

empleados en la Norma Europea y establecidos en el Mandato M/324, en su lugar se

emplea el “Número de servicios” para medir el gasto de agua caliente de forma

simultánea que un determinado equipo para calentamiento de agua puede satisfacer para

una residencia.

Cuando se habla de 1 servicio, se considera el consumo de agua promedio para el uso de

una regadera, que es de 9 litros/minuto; ½ servicio estima el consumo de un lavabo o un

fregadero (fregadero = 4.5 litros/minuto; lavabo = 6.4 litros /minuto). De acuerdo con la

Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), el consumo promedio de agua por persona al día

en el Distrito Federal es de 300 litros, sin embargo únicamente un porcentaje requiere ser

calentada. Para una ducha, acorde con varios estudios realizados, se considera que del

total de agua utilizada, el 65% corresponde a agua caliente mientras que el 35% restante

corresponde a agua fría. (ANES, 2006)

96 | P á g i n a

La suma total de ACS demandada por un hogar depende de varios factores: el número de

personas dentro de la vivienda, el equipamiento doméstico, clima y los hábitos de cada

familia (duración y número de baños por persona por día; forma de uso del equipo

doméstico). Debido a lo mencionado previamente, una recomendación práctica para el

dimensionamiento de un calentador de agua, es considerar el consumo de agua caliente

para una persona en 75 litros por persona/día, entre el agua caliente requerida para una

ducha y el uso de una lavadora de ropa o el lavado de trastes (ANES, 2006). Por lo tanto,

para un hogar promedio compuesto por 4 personas, el requerimiento de agua caliente al

día sería de 300 litros.

Es por lo anterior que, por conveniencia, para este trabajo se llevará a cabo la tercera

etapa de prueba empleando el tercer ciclo de extracción descrito en la Norma Europea

(ciclo de extracción L, o grande) que significa una extracción total de 323 litros de agua

caliente (ver Tabla 17 en el Apéndice 2).

En complemento con lo anterior, se propone la modificación en la obtención de la energía

calorífica útil producida por la bomba de calor, que es obtenida para cada extracción, que

considere la energía obtenida por radiación solar y por conducción, además de las

pérdidas suscitadas durante el proceso de transferencia de calor hacia el agua.

El diagrama de flujo de la tercera etapa de prueba se muestra a continuación en la Figura

31, señalando las modificaciones realizadas con recuadros color verde.

97 | P á g i n a

98 | P á g i n a

99 | P á g i n a

100 | P á g i n a

101 | P á g i n a

102 | P á g i n a

Figura 31 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 3 para la DXSAHP

103 | P á g i n a

4.3.4 ETAPA 4: DETERMINACION DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA Y

VOLÙMEN MÀXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE

Para el procedimiento de prueba de la cuarta etapa no existen modificaciones

importantes, únicamente se propone el uso del sistema de adquisición de datos para

registrar y evaluar la influencia de las condiciones climáticas al momento de la prueba. En

la Figura 32 se despliega el diagrama de flujo correspondiente a esta etapa señalando las

modificaciones realizadas con recuadros color verde.

104 | P á g i n a

105 | P á g i n a

Figura 32 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 4 para la DXSAHP

106 | P á g i n a

4.3.5 ETAPA 5: RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO

Debido a que la DXSAHP es un equipo no comercializado en varias partes del mundo,

incluido México, otra problemática importante que se presenta en una propuesta de

prueba para este tipo de sistemas es el establecimiento de ciertos parámetros que deben

ser estimados por fabricante. El objetivo de esta etapa, previamente mencionado en la

sección 3.2.2.5, es el de corroborar que el equipo opere adecuadamente dentro de los

límites de uso indicados por el fabricante, por lo que la aportación para esta etapa

consiste en la presentación de los valores de la temperatura mínima de la fuente de calor

(límite inferior de uso) y la temperatura máxima de la fuente de calor (límite superior de

uso) recomendados para ser considerados por los fabricantes en el establecimiento de los

límites de operación del equipo.

La temperatura mínima de la fuente de calor que se propone para esta etapa de prueba es

la temperatura ambiente mínima promedio de la región en que se encuentre operando el

equipo. Para la DXSAHP trabajando bajo las condiciones de la Ciudad de México, el límite

inferior de uso es 7°C, que es la temperatura promedio de los valores de temperatura

ambiente mínima, registrados anualmente durante los últimos 12 años en la Ciudad de

México.

El límite superior de uso depende del compresor y el fluido de trabajo seleccionado. Para

establecer el límite superior de uso, se propone el valor de la temperatura del refrigerante

a la presión máxima soportada por el compresor a la entrada, obtenida de las tablas p-T

del refrigerante empleado. El refrigerante empleado para el sistema que se pretende

evaluar en este trabajo es el R134a.

A continuación se muestra el diagrama de flujo general, con la modificación propuesta

para la quinta etapa de prueba, en la Figura 33.

107 | P á g i n a

108 | P á g i n a

Figura 33 Diagrama de flujo del procedimiento general de la etapa 5 para la DXSAHP

109 | P á g i n a

El diagrama de flujo de la Figura 34 muestra el procedimiento para el primer periodo de

calentamiento de la etapa de pruebas 5.

110 | P á g i n a

111 | P á g i n a

Figura 34 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 para la DXSAHP

112 | P á g i n a

El procedimiento para el segundo periodo de calentamiento se puede observar en el

diagrama de flujo de la Figura 35.

113 | P á g i n a

114 | P á g i n a

Figura 35 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 para la DXSAHP

115 | P á g i n a

CONCLUSIONES

En este trabajo se desarrolló una propuesta del método de pruebas de una bomba de

calor de expansión directa asistida por energía solar, DXSAHP, para calentamiento de agua

sanitaria. Debido a que hasta la fecha no se cuenta con normas o procedimientos de

evaluación de DXSAHP, se necesitó tomar como base una norma vigente para bombas de

calor sin asistencia solar y un procedimiento que se basa en la medición de cinco

principales parámetros. Además, se usó un modelo matemático para simular el efecto de

las condiciones climáticas en el comportamiento de la DXSAHP.

La propuesta del método de prueba a DXSAHP desarrollada en este trabajo consideró las

condiciones ambientales promedio de la Ciudad de México, y el modelo matemático

empleado sirvió para cuantificar la interacción entre los parámetros que influyen en el

desempeño del equipo, para justificar la importancia de su inclusión en el procedimiento

de evaluación y la obtención del coeficiente de operación.

A partir de los resultados de la simulación, se observó que la radiación solar afecta

significativamente de forma positiva en la eficiencia de la DXSAHP por lo que debe ser

incluida en el método de pruebas. Así mismo, se determinó que la velocidad del viento

influye de dos formas diferentes; en primer lugar, cuando la temperatura de la superficie

del evaporador-colector es superior a la temperatura ambiente el aumento de la

velocidad del aire incrementará la disipación de calor lo que representa una pérdida de

energía. Por el contrario, cuando la temperatura de la superficie del evaporador-colector

es inferior a la temperatura ambiente el aumento de la velocidad del aire incrementará la

transferencia de calor del aire hacia la superficie del evaporador-colector lo que es

benéfico para la bomba de calor. Por esta razón la velocidad del viento también se incluyó

en el método de pruebas propuesto en este trabajo.

116 | P á g i n a

Durante el desarrollo del método de prueba a DXSAHP, aparte de la inclusión de la

asistencia solar y el efecto de otros parámetros climáticos, se identificaron varios puntos

que deben ser contemplados durante las pruebas. Por ejemplo, la necesidad de contar en

México con un parámetro clave como los ciclos de extracción para poder cuantificar la

eficiencia energética de la DXSAHP respecto del consumo real de agua por parte del

usuario. Además, la duración del periodo de pruebas se deberá ajustar, usando resultados

experimentales, pues dependiendo de la época del año se tendrán condiciones muy

variables en el desempeño de estos equipos lo que evidentemente se reflejará en su

eficiencia energética.

El método de prueba a DXSAHP mostrado en este estudio es la primera etapa de un

proceso que pretende establecer los estándares de regulación y evaluación de la eficiencia

de una DXSAHP para su promoción entre los consumidores, para la creación de programas

de apoyo y la consolidación de esta tecnología en el mercado de México.

117 | P á g i n a

RECOMENDACIONES

A lo largo de este proyecto varias interrogantes se mantienen y otras más surgieron,

relacionadas principalmente con el comportamiento de la DXSAHP sometida a cargas y

condiciones reales de operación, ya que, aunque el modelo matemático empleado para

simular el funcionamiento del sistema mostró valores de COP que se encuentran en el

rango que presentan estos equipos, no se ha validado experimentalmente.

Es por lo anterior que la recomendación principal que se desprende de este trabajo es la

puesta en práctica de forma experimental el método de evaluación propuesto, para

corregir y perfeccionar la metodología de prueba, además de validar el modelo numérico

utilizado, que en un futuro pueda incluir todos los elementos necesarios para convertirse

en una norma que regule el funcionamiento de las DXSAHP en México.

118 | P á g i n a

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125 | P á g i n a

APÈNDICE 1. REQUISITOS GENERALES DE ENSAYO DE LA NORMA

EUROPEA EN16147:2011

Tabla 9 Incertidumbres de medición para los valores indicados

126 | P á g i n a

Tabla 10 Desviaciones permitidas respecto a los valores de referencia

Tabla 11 Requisitos de presión para bombas de calor aire-agua

127 | P á g i n a

Tabla 12 Condiciones de ensayo aplicables a todos los sistemas

Tabla 13 Condiciones de ensayo aplicables a tipos de sistemas particulares

128 | P á g i n a

APÉNDICE 2. TABLAS EMPLEADAS EN METODOLOGÍA DE PRUEBA

PARA LA EVALUACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE LA NORMA

EUROPEA EN 16147:2011

Tabla 14 Caudales de extracción

129 | P á g i n a

Tabla 15 Ciclo de extracción S

130 | P á g i n a

Tabla 16 Ciclo de extracción M

131 | P á g i n a

Tabla 17 Ciclo de extracción L

132 | P á g i n a

Tabla 18 Ciclo de extracción XL

133 | P á g i n a

Tabla 19 Ciclo de extracción XXL

134 | P á g i n a

Tabla 20 Condiciones de funcionamiento

Tabla 21 Cálculo de la humedad relativa para el ensayo de rango de operaciones

Tabla 22 Presentación de los resultados principales

135 | P á g i n a

Tabla 23 Información a registrar y calcular

136 | P á g i n a

APÉNDICE 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

Figura 36 Colector-evaporador de la DXSAHP del LABINTHAP

Figura 37 Compresor Danfoss, modelo MTZ18JAVE de la DXSAHP del LABINTHAP

137 | P á g i n a

Figura 38 Condensador de placas Alfa-Laval, modelo ACH-30EQ-10H-F, de la DXSAHP del LABINTHAP

FILTRO DESHIDRATADOR

En cualquier ciclo de refrigeración podemos encontrar sustancias dañinas para el equipo,

ya sea en estado sólido (polvo, rebabas, mugre, arena, residuos de soldadura), líquido

(agua, solventes), y gas (vapor de agua, aire) que entran al sistema durante su instalación,

mantenimiento o inclusive se encuentran presentes en algunos de sus componentes

desde su fabricación.

Cualquiera de estas sustancias produce efectos negativos en el desempeño del sistema, y

para evitar o minimizar su presencia, se recurre al uso del filtro deshidratador, que es un

dispositivo conformado por material desecante y material filtrante para remover la

humedad y otros contaminantes de un sistema de refrigeración. Se encarga de remover la

humedad excesiva (en forma gaseosa y líquida) de la mezcla de refrigerante y aceite.

Los filtros deshidratadores se dividen en 2 tipos: de material desecante suelto y de

desecante en forma de bloque moldeado. En los filtros de desecantes sueltos, la carga de

desecante se encuentra en su estado original en forma granular, compactada por un

resorte entre dos discos de metal de malla fina, o entre pequeños cojines de fibra de

vidrio. En los filtros del tipo de bloque moldeado, el bloque normalmente es fabricado

como una combinación de 2 desecantes, uno con gran capacidad para retener agua y otro,

138 | P á g i n a

ácidos. El filtro utilizado en la instalación experimental es de tipo desecante de bloque se

encuentra en la Figura 39.

Figura 39 Filtro deshidratador Emerson, modelo TD-033, de la DXSAHP del LABINTHAP

ACUMULADOR DE SUCCIÓN

En algunos casos, una mínima cantidad de líquido y en poca frecuencia puede ser tolerado

por el compresor, sin embargo es ideal que al compresor únicamente llegue gas

refrigerante, ya que cualquier retorno de líquido o exceso de carga de refrigerante puede

dañarlo. Es por esto que el uso de un acumulador de succión es necesario.

Un acumulador de succión es un recipiente o depósito a presión que retiene

temporalmente cualquier exceso de refrigerante líquido hasta que se evapora para

posteriormente enviarlo en forma de gas y en una proporción segura al compresor y así

evitar daños por una inundación inesperada.

Existen 2 tipos de acumuladores de succión: de tubo en “U” y de tubo vertical. El

acumulador de tubo en “U”, mostrado en la Figura 20, es el más simple. En caso de existir

refrigerante líquido en la línea de succión del compresor, al pasar por el acumulador, las

gotas más pesadas caen al fondo, mientras que el gas, al tener menos densidad, entra al

tubo en “U” para ser succionado por el compresor. Es el tipo de acumulador es el que se

utiliza en la DXSAHP del estudio presente. Se encuentra en la Figura 40.

139 | P á g i n a

Figura 40 Acumulador de succión Parker, modelo VA-31-4S, de la DXSAHP del LABINTHAP

VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN

Estas válvulas controlan la temperatura indirectamente controlando la presión del

elemento. En este sistema de refrigeración, nos encontramos con 2 válvulas reguladoras

de presión: de presión de cárter (o de succión del compresor) y de presión de

evaporación.

La válvula reguladora de presión de cárter se encuentra instalada en la línea de succión,

en donde su principal propósito es mantener balanceada la capacidad del sistema de

refrigeración a los requerimientos de la carga térmica. (Vea la Figura 41).

La válvula reguladora de presión de evaporación controla la temperatura del evaporador

indirectamente controlando la presión del evaporador. Conforme la carga térmica del

evaporador se incrementa, la válvula ORI (Abre Subir Entrada, por sus siglas en inglés)

abre al subir la presión de entrada, por encima de la presión de ajuste de la válvula.

Cuando la carga térmica del evaporador disminuye, la válvula cierra y modula para

mantener el ajuste de presión de la válvula. (Figura 42).

140 | P á g i n a

Ya sea que se encuentre controlando la presión de operación del evaporador o la presión

de succión del compresor, se puede conseguir que el sistema opere correctamente bajo

un amplio rango de condiciones ambientales y de carga, y ambientales, manteniendo una

eficiencia máxima del sistema.

Figura 41 Válvula reguladora de presión de cárter Danfoss, modelo KVL de la DXSAHP del LABINTHAP

Figura 42 Válvula reguladora de presión de evaporación Sporlan, modelo ORIT-6-30/100 de la DXSAHP del LABINTHAP

141 | P á g i n a

PRESOSTATO

Este elemento funciona como compuerta eléctrica para controlar el sistema de

refrigeración y proteger al compresor y a los demás elementos del circuito, en función de

la lectura de presión de un fluido.

Cuenta con un pistón interno, sobre el cual el fluido ejerce presión, si se ejerce la presión

necesaria, el pistón será desplazado hasta unir dos contactos y cerrar el circuito. Cuando

la presión disminuye, un resorte se encarga de regresar al pistón a su posición inicial,

separando a los contactos y abriendo el circuito.

La sensibilidad de disparo del presostato se ajusta a través de un tornillo, al aplicar más o

menos fuerza sobre el pistón mediante el resorte. Normalmente cuentan con 2 ajustes, el

de presión de encendido y el de presión de apagado, que funcionan de manera

independiente. El presostato propuesto en la instalación experimental se muestra en la

Figura 43.

Figura 43 Presostato Alco, de la DXSAHP del LABINTHAP

142 | P á g i n a

SEPARADOR DE ACEITE

El refrigerante, a su paso por el compresor, se mezcla con el lubricante que éste utiliza, es

por eso que a la descarga del mismo se instala un separador de aceite, que es un

dispositivo diseñado para separar el aceite lubricante del refrigerante, y regresarlo al

cárter del compresor, antes de que entre a otros componentes del sistema y provoque

mal funcionamiento de éstos así como falta de lubricación en el compresor (T&P

Refrigeración, 2009).

Depende de tres factores básicos para su operación que son incorporados en su diseño:

1. Reducción de la velocidad del refrigerante en estado gaseoso.

2. Cambio de dirección del flujo del refrigerante.

3. Superficie de choque a la cual se va a adherir el aceite lubricante.

El refrigerante mezclado con lubricante sale del compresor a alta velocidad, y a través de

la línea de descarga llega a la entrada del separador de aceite, en donde el refrigerante

queda en forma de gas sobrecalentado, con una gran velocidad. El aceite se encuentra en

forma líquida, por lo que tiene mayor densidad e inercia que el refrigerante aunque se

encuentren a la misma velocidad.

El área de sección transversal del contenedor del separador es significativamente mayor

que la del tubo de descarga del compresor, por lo que se produce una reducción en la

velocidad del gas. Al mismo tiempo, la mezcla de gas y aceite pasa a través de la malla de

choque a la entrada del separador, donde una parte del lubricante es removido del

refrigerante.

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Figura 44 Separador de aceite de la DXSAHP del LABINTHAP

Otro porcentaje de lubricante se encuentra en forma de partículas más pequeñas, que

sólo pueden ser removidas mediante el choque entre ellas para formar partículas más

pesadas, lo cual se logra debido a la reducción de velocidad que experimenta la mezcla

entre gas refrigerante y aceite (T&P Refrigeración, 2009).

El refrigerante ya libre de aceite continúa con su trayectoria hacia el condensador,

mientras que el lubricante separado es dirigido hacia un depósito en donde es acumulado

hasta alcanzar cierta cantidad para ser regresado al cárter del compresor. El separador de

aceite utilizado en la instalación experimental se muestra en la Figura 44

MIRILLA

La mirilla es un elemento auxiliar que permite ver el estado del refrigerante en una

determinada etapa del circuito, para comprobar que se encuentre en las condiciones

adecuadas.

Existen de 2 tipos: simples y con indicador de humedad. Las simples permiten ver al

refrigerante a través del conducto y las que cuentan con indicador de humedad, muestran

el contenido de humedad en el circuito.

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Figura 45 Mirilla de la DXSAHP del LABINTHAP

Pueden ser instaladas antes del dispositivo de expansión para comprobar que llega líquido

de forma continua al mismo. La ubicación de este dispositivo se realiza de acuerdo a las

necesidades del observador. Su función más importante es la de revelar un exceso de

humedad en el refrigerante.

El tipo de mirilla con indicador de humedad, que es la propuesta para la instalación

experimental (Véase Figura 45), cuenta con un elemento indicador, calibrado para que

cambie de color, de acuerdo con lo que se consideran niveles seguros o inseguros de

humedad, que varían de acuerdo al refrigerante que se utiliza en el sistema. Este

elemento indicador es un papel filtro poroso impregnado de una sal anhídrida de cobalto

que cambia de color en presencia o ausencia de pequeñas cantidades de humedad.

TANQUE RECIBIDOR

Dentro de un sistema de refrigeración es importante mantener un depósito de

refrigerante para garantizar un nivel adecuado del mismo dentro de la instalación y así

evitar daños a los demás equipos.

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Cuando se cuenta con varios evaporadores, el tanque recibidor actúa como tanque de

transitorios. Si uno o varios evaporadores en dicha planta son vaciados y no se envía más

refrigerante líquido a otros evaporadores, este permanecerá almacenado en el recibidor,

disminuyendo su espacio libre en función del tamaño de los servicios y del recibidor.

Cuando los evaporadores son puestos en funcionamiento de nuevo, el nivel de

refrigerante en el tanque recibidor se verá reducido.

En evaporadores sujetos a grandes variaciones de carga, la carga de líquido refrigerante

puede variar ampliamente, por lo que se requiere de un determinado volumen de

refrigerante en el recibidor para compensar estas variaciones.

El tanque recibidor utilizado en la instalación experimental es mostrado en la Figura 46.

Figura 46 Tanque recibidor Emerson, modelo TR-100, de la DXSAHP del LABINTHAP

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ANEXO 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ETAPAS DE PRUEBA DE LA

NORMA EUROPEA EN-16147:2011

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Figura 47 Diagrama de flujo del procedimiento de Requisitos generales de la norma europea EN16147:2011

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Figura 48 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa A de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 49 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa B de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 50 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa C de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 51 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa D de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 52 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 53 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 54 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 55 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 56 Diagrama de flujo del fallo 1 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011

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Figura 57 Diagrama de flujo del fallo 2 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea EN16147:2011

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ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE REQUERIMIENTOS GENERALES

DE PRUEBA PARA LA DXSAHP

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