La tecnología de las Bombas de Calor y su contribución en la eficiencia energética by Memorias Conferencias ACIEM

La tecnología de las Bombas de Calor y su contribución en la eficiencia energética El caso de las bombas de calor en Japón David Blanco Ph.D. Doctor en energías renovables y bioclimatización Exalumno Universidad de Hokkaido david.blanco@sah.com.co Bogotá mayo 2019

Hacía dónde vamos? Protocolo de Kyoto, 1997: Existe el Efecto invernadero. Las naciones desarrolladas se comprometen a reducir emisiones de CO2 Objetivos del Milenio (2000): Garantizar (!?) la sosteniblidad del medio ambiente Iniciativas en el mundo desarrollado:

G8 (2008) Reducción del 50% de emisiones en el 2050, Promoción de casas de bajo consumo energético Directiva europea 20-20-20 (2009) : 20% energía de recursos renovables, 20% reducción en emisiones ambientales(todos los hogares construidos a partir del 2020 en UK deberán ser de bajo consumo energético) 3

Hacía dónde vamos? Y en nuestros países Colombia: Ley 1715 de 2014: Esquema legislativo (en pañales): Promover uso de Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCER 10%@2028) Promover gestión eficiente de la energía

Panamá: Plan Energético Nacional 2050: eficiencia, seguridad, acceso universal y descarbonización Diálogo nacional a través de PNUD(!) 4

Demanda por sector Comercial: 6.5% Residencial: 20.2% Transporte: 37.2%

Industria: 26.3%

Tomado del BID

Matriz energĂŠtica

Electricidad y Crecimiento

Instituto Nacional de EstadĂstica y Censo

DepartamentoNacional de EstadĂstica

Dirección de nuestros países Diversificar fuentes energéticas en los sectores industrial, residencial y comercial

A través de la aplicación de tecnologías inteligentes Gestión (e.g. ciudades inteligentes, SCADA)

Renovables (bombas de calor, almacenamiento térmico)

Eficiencia (mejores equipos)

Que permitan el cambio de hábitos de consumo 8

Bombas de calor en las Energías renovables Investigación en Bombas de Calor caso Japonés

Que es una bomba de calor Flujo de calor intercambiable

Almacenamiento de corto tiempo Aprovechamiento de picos energéticos

Uso tecnologías amigables con el ambiente Ciclo de refrigeración Ciclo de absorción Ciclo de adsorpción

Professor Nagano’s Low energy house

Sistemas de gestión energética 10

Objetivo: Integración de servicios

Filtro Control biológico

Sistema de Control ambiental bomba de suministrando confort calor

Aire acondicionado

Agua caliente

Aplicación •calefacción •a/c •Control biológico •Humedad

deshumidificador Control de humedad

Calefacción 11

Bomba de Calor geotérmica Una bomba de calor usa electricidad para “mover” calor entre el espacio humano y la fuente energética para mantener comfort todo el año. Uncompresor, tres servicios: calefacción, enfriamiento y agua caliente desrecalentador Ventilo convector

2’

Bomba de 1 calor geotérmica compacta

Bomba de calor geotérmica compacta

Tanque calefacción / enfriamiento[kw] agua COP = caliente potenciacompresor [kw]

Con 1 unidad de electricidad, 4 unidades de calor pueden ser suministradas/eliminadas: COP = 4

Sistema de calefacción 3

Figura de mérito

Fuente de aire 4

Fuente tierra

Bomba de Calor geotĂŠrmica

Calefacción, A/C y agua caliente todo el año Primavera

Invierno Calefacción radiante 65 oC

suelo

GSHP

Ventilo convector

tanque

Calor abosrbido

65 oC

Ventilo convector

GSHP

35 oC

suelo

tanque

Sin calefacción

Calor abosrbido

Calefacción, A/C y agua caliente todo el año Primavera

Verano

Sin calefacción tanque

65 oC

Ventilo convector

tanque

GSHP

Calor abosrbido

suelo

GSHP

65 oC

Ventilo convector

15 oC

Calor rechazado

Calefacción, A/C y agua caliente todo el año Otoño

Verano

Sin A/C 65 oC

suelo

GSHP

Ventilo convector

tanque

Calor rechazado

65 oC

Ventilo convector

GSHP

15 oC

suelo

tanque

Calor abosrbido

Éxito en investigación Japonesa Gobierno (Director proyecto) • contrbuir a objetivos energéticos nacionales • financiamiento

Universidad

investigación

(Ejecutor) • Interés académico • Laboratorios • personal • tiempo Dr. Kastunori Nagano Profesor Titular, Laboratorio de Sistemas Ambientales Humanos Universidad de Hokkaido

Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón

Empresa privada (entrada mercado) • interés comercial • Producto comercializable • financiamiento

Estación experimental Sistema de Medición

Prototipo construido

Estación de prueba

Prototipo construido

T F de Estación de Baño prueba temperatura

desrecalentador

constante

P T

T P

Compresor Vatímetro P T

T P P T

Computador

Medidor de masa de refrigerante Válvula expansión

P T

: refrigerante : salmuera

: agua

: conexión

F T

Válvula PID

Tanque secundario

T T

Evaporador

Adquisición datos de T P Sensores

Condensador

Intercambiadores de calor auxiliares

Válvula PID F T

Agua llave Tanque primario

P : sensor Presión T : sensor temperatura F : flujómetro

Aplicación en una vivienda de bajo consumo energético 8m

Valor Q : 0.96 W m-2K-1 área: 200 m2

Vista E/O

Qhouse =  Qwall +  Qwindow + Qroof + Q floor + Qvent

25 m

Vista aérea

Esquema de precio fijo: 0.18 EUR kWh -1 Esquema de precio flexible: 0 hr

Menor costo 0.07 EUR

0.23 EUR

Vista Sur 18

Mayor costo 0.30 EUR 2m

Vista norte

0.23 EUR

13 12 hr

AplicaciĂłn en una vivienda de bajo consumo energĂŠtico Sapporo

Tokio http://www.rocksea.org/images/japan/sapporo%20in%20winter/slides/sap poro-winter-5.php

http://www.dw.com/en/japan-braces-for-exceptionally-hot-summer/a-16946983

Demanda energética (Enero 23)

4 2 0 6

12 Time [hrs]

6 4 2 0 0

Demanda calefacción: 145.2 kW h Demanda de agua caliente 415 L (42 ˚C)

Consumo de agua caliente Japonés

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

12 Time [hrs]

DHW demand Accumulated demand

300 250

200 150 100 50 0 1

Demanda calefacción: 83.2 kW h Demanda de agua caliente : 415 L (42 ˚C)

Gd [l]

16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

DHW demand Heating demand Outdoor temperature

13 Time [hrs]

Accumulated consumption at 65 C [l]

QSH [kW]

8 QSH [kW]

16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

DHW demand Heating demand Outdoor Temperature

Tout [ C]

Tokyo (900°C day)

Yamamoto et al (2010)

Tout [ C]

Sapporo (2638°C day)

Estrategia de control del tanque de agua: Principios Q [kW]

QDHW QSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

me 2

Scheme 1

0 hr

0.07 EUR

8 Proveer QSH&DHW DHW

QSH

Proveer SH & DHW

Sรณlo DHW Alto costo

La calefacciรณn tiene prioridad sobre el costo Mod3 de bajo El Mod3 agua caliente debe off ser producida en horario costo para uso posterior QDHW 22

Q [kW]

Estrategia de control del tanque de agua : Esquema 1 QDHW QSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

Scheme 1

0 hr

0.07 EUR

QDHW QSH Mod3

off

Mod3

eme 3

Scheme 2

DHW Esquema 1:QDHW como subproducto de SH. (DHW producido solo cuando QSH se necesita SH, producido al mayor COP). Cuando se completa la necesidad diaria de DHW, la bomba de Mod3 calor cambiaMod3 a modo 1 (SH).off Mod1

QDHW

Estrategia de control del tanque de 18 0 hr 13 agua 8: Esquema 2 22 24 Q

QSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

Scheme Q [kW] 1

QDHW Q DHW

QSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

0 hr Scheme Scheme 12

0.07 EUR

Mod3 8

off 13

Mod3 22

off off

Mod3 Mod1 Mod3

QDHW Q DHW

Q QSH SH Mod3 Mod3

Scheme Scheme2 3

DHW Scheme 2: Q se produce DHW en el horario de menor QSolo DHW costo. Durante Q el dÃa la bomba opera en SH o combinando QSHSH SH&DHW

34 eme

Mod3 Mod3 QDHW QDHW Q

Mod2

off

Vh > Vuh

Mod1 Mod1

Mod3 Mod3 24

Scheme Q [kW]2

Sche

Q Estrategia de control del tanque de Mod3 off Mod3 agua : Esquema 3

Scheme Scheme13

0 hr

QDHW QDHW QSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

Mod3

0.07 EUR

off 13

18 Mod1 22 Mod3 24

off off

Mod3 Mod1 Mod3

QDHW Q DHW

QQSHSH Mod3 Mod3

Mod2

2 4 Scheme Scheme

Esquema 3:QDHW La producciรณn de DHW es administrada durante la Vh > Vuh QDHW noche de acuerdo a los parรกmetros de demanda establecidos. Q SH Cuando se completan, la bomba cambia a modo de SH. Cuando 0.18 EUR QSH no se necesita SH, la bomba opera en DHW para cumplir con la demanda de agua Mod3 caliente.Mod2 off Mod1 Mod3 e3

Mod3

QDHW

off

Mod1

Mod3

Scheme

Estrategia de control del tanque de Q agua : Esquema 4Mod3 Mod3 off QDHW SH

Scheme Q [kW]3

Mod1

QDHW QDHW QQSHSH

0.23 EUR

0.30 EUR

0.23 EUR

0.07 EUR

Scheme Scheme14

0 hr Mod3 QDHW QDHW QSH QSH

Mod3 Mod3

0.07 EUR

Mod28

off

Mod3 18 Mod1 22 24

Vh > Vuh 0.18 EUR

Mod2 off

off

Mod3 Mod3 Mod1

Scheme 2

Esquema 4: Igual que el esquema 3, pero la producción de QDHW DHW se realiza durante todo el día QSH Mod3

off

Mod1

Mod3

Resultados Enero 23 (Esquema 1)

50 0

12 Time [hrs]

DHW delivered

Heating delivered

DHW with electric backup 140

120 100 80

60 40 20 0

-20 12 Time [hrs]

Backup DHW

COP

DHW delivered

Heating delivered

COP

3 4

12 Time [hrs]

QSH [kW]

Backup DHW

DHW tank content

Accumulated consumption at 65 C [l]

100

DHW demand 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 6

3 4

COP [-]

150

DHW demand [lit]

200

HP Operation

DHW tank content 250

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

COP [-]

DHW demand [lit]

DHW tank

DHW demand

Tokyo Accumulated consumption at 65 C [l]

Sapporo

12 Time [hrs]

Resultados Enero 23 (Esquema 2)

100 50

0 6

Heating delivered

200 150 100 50

0 -50 -100 -150

Backup DHW

COP

DHW with electric backup 250

12 Time [hrs]

DHW delivered

Heating delivered

COP

3 4

2 0

12 Time [hrs]

QSH [kW]

COP [-]

QSH [kW]

DHW delivered

12 Time [hrs]

DWH tank content

Accumulated consumption at 65 C [l]

150

DHW demand 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

3 4

COP [-]

200

HP Operation

DWH tank content 250

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

DHW demand [lit]

DHW tank

DHW demand

Tokyo Accumulated consumption at 65 C [l]

Sapporo

1 0 0

12 Time [hrs]

Resultados Enero 23 (Esquema 3)

100 50 0

12 Time [hrs]

DHW delivered

Heating delivered

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

250 200 150 100 50

0 0

COP

12 Time [hrs]

Backup DHW

DHW delivered

Heating delivered

COP

3 4

2 0 0

12 Time [hrs]

QSH [kW]

Backup DHW

DHW tank content Accumulated consumption at 65 C [l]

150

DHW demand [lit]

200

DHW demand Accumulated consumption at 65 C [l]

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

HP Operation

DHW tank content 250

COP [-]

DHW demand [lit]

DHW tank

DHW demand

Tokyo

COP [-]

Sapporo

1 0 0

12 Time [hrs]

Resultados Enero 23 (Esquema 4)

150 100 50 0

12 Time [hrs]

DHW delivered

Heating delivered

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

250

200 150 100 50 0

12 Time [hrs]

Backup DHW

COP

DHW delivered

Heating delivered

COP

3 4

2 0 0

12 Time [hrs]

QSH [kW]

Backup DHW

DHW tank content Accumulated consumption at 65 C [l]

200

DHW demand [lit]

250

DHW demand

Accumulated consumption at 65 C [l]

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

HP Operation

DHW tank content 300

COP [-]

DHW demand [lit]

DHW tank

DHW demand

Tokyo

3 4

COP [-]

Sapporo

1 0 0

12 Time [hrs]

Comparación de esquemas (Sapporo, Enero 23) Enero 23

Esquema 1

Esquema 2

Esquema 3

Esquema 4

Costo [EUR]

6.6

7.0

6.6

7.9

Wel [kW h]

39.86

43.27

40.86

40.28

QSH [kW h]

145.3

145.2

145.23

QDHW [kW h]

19.3

22.35

19.9

19.72

COP

4.1

4.0

GDHW (65 ˚C) [l]

275.7

318.6

282.4

277.8

Los esquemas 1 y 3 producen el menor costo …pero el esquema 1 usa menos energía eléctrica El esquema 2 produce más agua de la necesaria El COP de los cuatro esquemas es equivalente Innostock 2012

NO ES NECESARIO USAR UNA RESISTENCIA ELÉCTRICA PARA DHW

Comparación de esquemas (Tokio, Enero 23) Enero 23

Esquema 1

Esquema 2

Esquema 3

Esquema 4

Costo [EUR]

4.0

4.6

4.0

4.7

26.5

22.41

73.9

72.37

Wel [kW h]

23.1

QSH [kW h]

8.0%

72.4

26.2% 73.19

QDHW / Backup Heater [kW h]

19.1

Backup 10.5%

17.6

Backup 49.3%

18.2

17.0

COP / with electrical heater[-]

4.2

3.96

4.3

3.0

3.5

4.0

GDHW [l]

284. 0

Backup 10.0%

144.5

Backup 43.8%

268.6

251.0

Los esquemas 1 y 3 producen el menor costo El esquema 4 presenta el menor costo (sin resistencia eléctrica) Para el esquema 2, 50% del DHW es producida vía resistencia eléctrica, reduciendo el COP a 3. 32

Demanda estacional (Oct.1-Abr 30) Sapporo

4000 3000 2000 1000

0 10

1 Month

Demanda estacional (SH y DHW): 20,355 kW h Demanda SH : 16,702 kW h Pico de demanda energĂŠtica: 10.29 kW h

6000

DHW demand SH demand Tap water temperature

5000

4000

3000 14

2000

1000 0

6 10

1 Month

Demanda estacional (SH y DHW): 11,380 kW h Demanda SH : 8,307 kW h Pico de demanda energĂŠtica : 6.95 kW h

Td2' [ C]

5000 Q [kW h]

16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

DHW demand Heating demand Tap water temperature

Td2' [ C] Q [kW h]

6000

Tokyo

Factor de desempeño estacional Sapporo Oct.1 – Abril 30 Estación

Esquema 1

Esquema 2

Esquema 3

Esquema 4

Costo [EUR]

974

1191

941

1046

Costo por mes [EUR]

139.14

170.14

134.43

149.42

5,828

5156

17,513

16,793

input Wel [kW h]

5,154

QSH [kW h]

Backup: 2%

Backup: 27%

6,368

17,458

17,632

QDHW / Backup Heater [kW h]

3,719

Backup: 3%

3600

Backup: 46%

3,617

3,669

COP / with electrical heater[-]

4.2

4.1

4.2

3.0

3.6

4.0

GDHW [l]

50,867

Backup: 3%

52,337

Backup: 46%

52,351

52,833

El esquema 3 muestra una reducción en costo considerable pero..el esquema 1 muestra menor consumo energético El esquema 2 es costoso y muestra el menor desempeño 34

Factor de desempeño estacional Tokyo Oct.1 – Abril 30 Estación

Esquema 1

Esquema 2

Esquema 3

Esquema 4

Total cost [EUR]

327

1030

669

835

4,213

3,922

10,325

8,886

Wel [kW h]

3390

QSH [kW h]

Backup: 15%

Backup: 45%

5097

10,876

11,069

QDHW / Backup Heater [kW h]

2,782

Backup: 17%

3458

Backup: 69%

3,069

3,195

COP / with electrical heater[-]

4.5

4.0

4.3

2.8

3.2

3.32

GDHW [l]

48,733

17%

49,336

62%

48,715

49,107

El esquema 1 muestra menor costo y consumo eléctrico En el esquema 2 la mitad del agua caliente proviene de la resistencia eléctrica Heating demand in Tokyo is low while having the same DHW demand.

Impacto ambiental Sapporo

Tokyo Kerosene+LNG Kerosene+LNG Kerosene + LNG

4.73

Esquema Scheme Scheme 4 44 4 Scheme

2.27

1.91

Scheme Scheme Scheme 2 22 2 Esquema

2.74

3 2 tCO2 year-1

2.25

Scheme Scheme 1 11 1 Scheme Esquema

2.27 4

1.79

Scheme Esquema Scheme Scheme 3 33 3

2.53

2.58

1.59 0

0.5

1.5 tCO2 year-1

2.5

Factores de conversión del Manual de Energía y Economía Estadística de Japón, 2011

Mediante las bombas de calor, las emisiones de CO2 pueden ser reducidas en un mínimo de 42% y un máximo de 52% para Sapporo, mostrando su gran efectividad En Tokio, las emisiones pueden reducirse en un mínimo de 13% y un máximo de 38%. 36

Discusión: Caso Trópico Almacenamiento de corto plazo: Días calurosos, noches frías

Industria: Regresar excesos de calor a procesos industriales Las bombas de calor y sus diferentes sabores tendrán una participación importante en la matriz de renovables especialmente en la industria, el comercio y el hogar La educación energética es fundamental para las nuevas generaciones

La cogeneración de conocimiento y buenas prácticas a través de redes es fundamental para el trabajo mancomunado.

Cogeneración y trigeneración Aprovechamiento de recursos energéticos

COGMCI Demo

Conclusiones

Conclusions y lecciones aprendidas

Conclusiones Se demostró que todas las necesidades térmicas de una vivienda de bajo uso energético son cubiertas mediante bombas de calor, y que mediante el manejo del almacenamiento de corto plazo del agua adecuado, no se necesita resistencias eléctricas de reserva. Los esquemas de control que aprovechan tarifas eléctricas flexibles muestran el menor costo, aunque no necesariamente el menor consumo energético Para el caso de Sapporo, el esquema 3 presentó el menor costo mientras que los esquemas 1 y 4 el menor consumo energético Por lo tanto, no existe un único control que sea adecuado para ambas localizaciones geográficas. El control de un sistema deberá ser flexible para adaptarse a las condiciones ambientales, culturales y energéticas de un lugar determinado. 40

Muchas gracias por su atenciรณn!

david.blanco@sah.com.co www.sah.com.co http://co.linkedin.com/in/DLBlanco 41