Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Damien Labaume, Responsable Departamento I+D, ALDES
- Serge Buseyne, Responsable Proyectos Investigación, ALDES
- Fabien Bertrand, Responsable Regulación, ALDES
- Miguel Lautour, Responsable Marketing, ALDES
Resumen
Aldes ha acoplado un calentador de agua termodinámico sobre aire extraído a un panel fotovoltaico, para alimentar eléctricamente la bomba de calor utilizando el depósito de agua caliente para almacenar esa energía utilizando un compresor de velocidad variable inverter, capaz de modificar su velocidad en función de la energía aportada por el panel fotovoltaico según el nivel de radiación solar. Se ha monitorizado 2 obras en el Suroeste de Francia midiendo las ganancias, captando con precisión los consumos de agua caliente sanitaria. Los resultados obtenidos son muy interesantes permitiendo dividir el consumo eléctrico por 5 con relación a un calentador de agua termodinámico y por 15 en relación a un calentador de agua eléctrico.
Palabras clave
ACS, Acumulador Termodinámico, Aire Extraído de Ventilación, Panel Fotovoltaico, COP, Eficiencia Energética, EECN
Introducción
Teniendo en cuenta las limitaciones medioambientales y el coste importante de la energía, es necesario reducir el consumo de las distintas instalaciones que equipan una vivienda. Las potencias instaladas de los sistemas de calefacción en la vivienda se han visto reducidas considerablemente, en particular gracias a la utilización de nuevos materiales de aislamiento, la colocación de cristales adaptados, y la disminución de los puentes térmicos en la construcción del edificio.
Del mismo modo, la demanda energética ligada a la instalación destinada a la ventilación de la vivienda se ha visto considerablemente reducida utilizando sistemas de ventilación doble flujo, permitiendo recuperar las calorías del flujo de aire extraído para trasladarlas al flujo de aire impulsado o utilizando sistemas de ventilación modulada, cuyo funcionamiento está limitado a las necesidades reales y función, por ejemplo, de la tasa de humedad en el interior de la vivienda. Se observa en la actualidad, en las casas de tipo «bajo consumo», que la instalación destinada a la producción de agua caliente sanitaria es la que consume la mayor energía. Es por lo tanto necesario reducir la demanda energética de este tipo de instalación.
Para conseguir este objetivo, es bien conocido el uso de una instalación de producción de agua caliente sanitaria equipada con un calentador de agua que incluye un depósito en cuyo interior se almacena un fluido a calentar, así como un sistema de ventilación mecánica controlada destinado a extraer el aire de una vivienda. El sistema de ventilación mecánica controlada está acoplado a un circuito termodinámico dentro del cual circula un fluido refrigerante, el circuito termodinámico que incorpora un evaporador dedicado para intercambiar calor con el aire extraído, un compresor, una válvula de expansión y un condensador dedicado para el intercambio de calor con el fluido contenido en el depósito.
Para ello, Aldes ha desarrollado un calentador de agua termodinámico sobre el aire extraído. Este equipo funciona utilizando las calorías del aire extraído para hacer funcionar la bomba de calor. Este producto permite reducir por 3 los consumos de energía en comparación con un calentador de agua eléctrico.
Con el desarrollo de las energías renovables, es corriente hoy en día equipar los edificios de paneles fotovoltaicos para reducir el consumo de energía de estos últimos. Con el objetivo de no perturbar las redes eléctricas, se recomienda encarecidamente autoconsumir la energía producida.
¿Cómo utilizar esta energía renovable transformándola en agua caliente sanitaria?
El proyecto
Respeto a los calentadores de agua termodinámicos con compresor de velocidad constante, se puede alimentar estos productos por un panel fotovoltaico. En este caso, el compresor funcionará de forma autónoma cuando la energía proporcionada por el panel sea superior a su consumo mínimo.
Cuando la radiación solar no es ideal (cielo nublado, lluvia, etc.), el funcionamiento basado únicamente en la corriente suministrada por el panel no está garantizado. La potencia suministrada por el panel está situada muy a menudo por debajo de la energía necesaria para el funcionamiento del compresor.
En este caso, o bien se para la instalación de manera automática, o bien se pasa al uso de un complemento de alimentación desde la red eléctrica.
Tal funcionamiento genera un consumo no optimizado de energía por el compresor.
Si se desea utilizar únicamente la energía proporcionada por el panel fotovoltaico, el compresor funcionará únicamente en modo marcha o paro, lo cual no permitirá garantizar la vida útil de los compresores.
Para ir más lejos en lo referente a la eficiencia energética, Aldes ha trabajado en el acoplamiento de la solución de calentador de agua termodinámico con un panel fotovoltaico. En efecto, la idea es aprovechar la energía solar para alimentar eléctricamente la bomba de calor y utilizar el depósito de agua caliente para almacenar esa energía.
Material & Método
La innovación de Aldes se basa por lo tanto en una instalación de producción de agua caliente sanitaria utilizando un compresor de velocidad variable, capaz de modificar su velocidad en función de la energía que le proporciona el panel fotovoltaico. De esta manera, su velocidad de rotación puede ser modulada o ajustada en función de la energía solar recibida.
La utilización de un compresor de velocidad variable, generalmente llamado compresor de tipo «inverter» permite ajustar la potencia suministrada en función de la energía recibida por el panel, con el fin de garantizar el buen funcionamiento de la instalación sin recurrir a la energía de la red eléctrica. Es así como, por ejemplo, una reducción de la energía proporcionada por el panel fotovoltaico se traduce en una disminución de la velocidad del compresor. El ajuste de la velocidad del compresor permite hacerlo funcionar a baja velocidad cuando hace poco sol, de tal modo que el consumo de energía sea igual al producido por el panel y, viceversa, cuando hace mucho sol.
El funcionamiento
Compresor de velocidad constante
La figura 2 representa el comportamiento de un compresor de velocidad fija (técnica usual) alimentado por un panel fotovoltaico. C1 corresponde a su consumo mínimo de arranque. El compresor funciona por lo tanto entre T1 y T2, alimentado únicamente por la corriente suministrada por el o los paneles fotovoltaicos. Fuera de este rango, deberá estar alimentado por la corriente del sector para que poder funcionar. Es por ejemplo el caso entre T2 a T3 si el sistema no ha alcanzado su temperatura de consigna antes de T2. C1 corresponde a su consumo.
Compresor “inverter”
La figura 3 representa el comportamiento de un compresor de velocidad variable » inverter» alimentado por un panel fotovoltaico.
Su umbral de arranque C3 es muy inferior al de un compresor de velocidad constante de la misma potencia nominal. El compresor de velocidad variable va a adaptar su velocidad y por lo tanto su consumo a la energía recibida por el o los paneles fotovoltaicos.
La energía proporcionada va a variar en función de la radiación solar. El compresor funcionará de T’1 a T’2, alimentado únicamente por el o los paneles fotovoltaicos. El período de funcionamiento es muy superior al de un compresor de velocidad constante. La energía proporcionada por el compresor será más elevada que con el compresor de velocidad constante para un mismo día con el mismo nivel de radiación solar.
Su consumo va a variar de C3 a C4, de forma escalonada en función de la radiación solar. Se optimiza por lo tanto el consumo.
La medición de la temperatura del fluido en el depósito permite obtener información sobre el estado de almacenamiento de agua caliente sanitaria y permite optimizar el tiempo, así como la velocidad de funcionamiento del compresor en relación con la corriente suministrada por el panel fotovoltaico.
Otra ventaja de la innovación de Aldes es ser capaz de producir agua caliente por encima de la temperatura de consigna cuando la energía proporcionada por el panel está disponible con el fin de almacenar más energía en el acumulador.
La regulación
La regulación del sistema está optimizada para utilizar la totalidad de la producción solar a través del sistema de acumulador de agua caliente termodinámico sobre aire extraído.
La regulación funciona del siguiente modo, se mide permanentemente la producción solar, una lógica de distribución de energía entre el sistema de ventilación, la resistencia eléctrica, y el sistema termodinámico (compresor + inverter) permite utilizar la totalidad de la corriente suministrada por la instalación fotovoltaica en cada momento.
Técnicamente, la energía solar producida por el/los panel/es alimenta en prioridad el ventilador, el excedente de energía alimenta el compresor si la regulación del acumulador solicita la activación del sistema de producción de agua caliente, en este caso, la velocidad de rotación del compresor » inverter» depende de la energía solar disponible. Por último, si se dispone de un remanente de energía solar (el consumo del compresor es inferior a la energía solar producida), este último se utiliza para alimentar la resistencia del acumulador (alimentación modulada de la resistencia). En el marco de una instalación en un edificio con su propio sistema de ventilación como en el caso de un edificio de viviendas colectivas o terciario, el calentador de agua termodinámico sobre aire extraído no dispone de su propio sistema de ventilación y por lo tanto, la prioridad de distribución de energía cambia al siguiente escenario: alimentación del compresor y remanente de energía solar para la alimentación de la resistencia eléctrica.
Este último nivel de distribución permite recuperar el excedente de producción solar tanto cuando el compresor funciona como cuando está parado.
Esta lógica de regulación del conjunto de órganos del sistema de calentador de agua termodinámico sobre aire extraído permite, por una parte, dedicar íntegramente la energía solar suministrada al calentador de agua termodinámico y por lo tanto de autoconsumir la totalidad de la producción solar, y por otra parte, volver eléctricamente autónomo el calentador de agua, en la mayor medida posible.
Resultados
Para validar los resultados de este producto sobre el terreno, se han realizado 2 dos obras en el Suroeste de Francia y se han puesto en marcha en la primavera del 2017. Se trata de dos viviendas individuales de unos 120m2 cada una. Para cada una de las obras, el depósito de agua caliente termodinámico con una capacidad de 200litros está conectado a un panel fotovoltaico con una superficie de 1,6m2 y una potencia de 250Wc. Se ha seguido y monitorizado las 2 obras para poder medir las ganancias, el muestreo de las medidas se realiza con un paso de tiempo de 10 segundos para poder captar con precisión los consumos de agua caliente sanitaria en las viviendas. Los datos medidos son la temperatura de agua fría, la temperatura de agua caliente, las temperaturas en el interior del acumulador, el consumo de agua caliente, la producción de electricidad suministrada por el panel fotovoltaico, el consumo eléctrico del calentador de agua, las características de la máquina. Cada día, un fichero de datos grabados es enviado al InnoLab de Aldes (centro de Investigación e innovación).
Mostramos a continuación un diagrama de resultados en los que en la primera curva, se refleja la producción eléctrica mediante el panel fotovoltaico
En la segunda curva, se refleja el consumo de agua caliente y las temperaturas en el depósito de agua caliente. La cantidad de agua caliente consumida es de 118 litros. En la tercera curva, se refleja el funcionamiento del compresor.
Conclusión
En síntesis, los resultados obtenidos en estas dos viviendas son muy interesantes y permiten dividir el consumo eléctrico por 5 en relación con un calentador de agua termodinámico y por 15 en relación a un calentador de agua eléctrico gracias al acoplamiento con los paneles fotovoltaicos.