Aerotermia: Instalaciones de Producción de Calor y Climatización

Introducción a la Aerotermia

Conceptos de Física de Fluidos y Termodinámica

Trabajo El trabajo es el efecto producido por una fuerza (F) que recorre un espacio (e).

T = F · e

Donde: T es el trabajo en julios (J). F es la fuerza en newtons (N). e es el espacio (m).

Potencia La potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

P = Tlt

Donde: P es la potencia (W). T es el trabajo (J). t es el tiempo (s).

La unidad es el vatio (W), por tanto, W = J/s. Las unidades de uso frecuente son: kW y CV.

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1 kW = 1000 W 1 CV = 735,5 W

También es muy frecuente el uso de potencia como calor (energía) por unidad de tiempo:

1 kW = 860 kcal/h

Energía La energía es la capacidad para producir un trabajo. Sus unidades son las mismas que las de calor.

Una unidad habitual de energía es el kilovatio hora (kWh).

1 kWh = 860 kcal

Caudal El caudal es el volumen de fluido que atraviesa una super- ficie en la unidad de tiempo.

Si se mide el flujo de agua en una tubería de sección S y longitud l, el caudal que la atravesará en un tiempo t será:

Q = V/t = (S · l)/t = S . (l/t) = S · v

Donde: Q es el caudal (m3/s). V es el volumen (m3). S es la sección (m2). t es el tiempo (s). l es la longitud (m). v es la velocidad (m/s).

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El caudal de agua que pasa por una tubería en un punto es el producto de la sección de la tubería por la velocidad del agua en ese punto.

Actividad Propuesta 1.1

Calcula la velocidad del agua en una tubería de cobre de 20 mm de diámetro interior por la que circulan 1800 l/h.

Calor

El calor es una forma de energía que tiene la materia por el movimiento de los átomos. Su unidad de medida en el sistema internacional es el julio (J), aunque la unidad más usada en la práctica es la caloría y el kilovatio hora (kWh).

Una caloría es la cantidad de calor que hay que aportar a un gramo de agua (en estado líquido) para que aumente un grado su temperatura (de 14,5 °℃ a 15,5 ℃), a la presión atmosférica.

La relación entre caloría y julio es:

1 julio = 0,24 calorías 1 caloría = 4,18 julios

Las unidades de calor y energía son las mismas:

1 kWh = 860 kcal

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Calor Específico

El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor que hay que aportar a 1 kg de dicho cuerpo para aumentar su temperatura 1 ℃ sin producirse cambio de estado.

El calor específico del agua en estado líquido es de 1 kcal/kg K.

Cantidad de Calor

La cantidad de calor (Q) que hay que aportar a un cuerpo para que aumente su temperatura se encuentra dada por:

Q= M . Ce . (t2-t1)

Donde: Q es la cantidad de calor (kcal o kWh). M es la masa (kg). Ce es el calor específico del agua: 1 (kcal/kg ℃) = = 4180 (J/kg ℃). t2 - t1 es la diferencia de temperatura (℃) o el salto tér- mico.

Actividad Resuelta 1.4

¿Qué cantidad de calor es preciso aportar a un acumulador de agua caliente sanitaria de 100 1 de capacidad si el agua fría entra en el acumulador a 10 ℃ y se quiere obtener agua caliente sanitaria a 60 ℃?

Solución Aplicando la fórmula:

Q= M . Ce . (t2-t1)

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Donde: M = 100 1 = 100 kg Ce = 1 kcal/kg ℃ t2-t1 =(60-10) = 50℃

Q= 100 kg · 1 kcal/kg ℃ . 50 °℃ = 5000 kcal = = 5000/860 kWh = 5,81 kWh

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Producción de Calor Mediante Aerotermia

La energía aerotérmica es la energía almacenada en forma de calor en el aire ambiente.

Las instalaciones de calefacción y ACS que aprovechan la energía aerotérmica para calentar o enfriar un espacio o producir ACS utilizan la bomba de calor como elemento principal para lograrlo.

La bomba de calor dispone de los elementos de un ciclo frigorífico de compresión de vapor, en el que un refrigerante circula por un circuito cerrado con los cuatro elementos fundamentales: evaporador, compresor, condensador y dispositivo de expansión (Figura 2.2). En el evaporador el refrigerante, a baja presión y temperatura, se evapora ab- sorbiendo calor del medio con el que está en contacto; el compresor comunica energía al refrigerante aumentando su presión y temperatura; en el condensador, el refrigerante pasa de vapor a líquido y, al condensarse, cede el calor de cambio de estado al medio en que se encuentra, y, en el dispositivo de expansión, se produce una pérdida de presión del refrigerante completando el ciclo. De forma aproxima- da, el calor que se cede en el condensador es la suma del correspondiente al evaporador y al consumo eléctrico del compresor transformado en calor.

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Condensador 3 2 3 Expansor Compresor Líquido Líquido + gas Gas P 4 1 Evaporador 4 1 h Figura 2.2. Ciclo frigorífico de compresión: a la izquierda, elementos principales y, a la derecha, diagrama P-h.

El fluido refrigerante absorbe el calor de dentro de la nevera y cede el calor detrás del frigorífico

Y cede el calor dentro de casa

El fluido refrigerante absorbe el calor del aire exterior

Gastando una pequeña parte de electricidad para que el compresor mueva el fluido

Para producir calor para calefacción y ACS, se utilizan bombas de calor del tipo aire-agua, que extraen calor del aire exterior mediante el evaporador y lo ceden en el con- densador al agua que se utiliza en los elementos terminales: radiadores, suelo radiante fancoil o acumuladores de agua caliente sanitaria. La bomba de calor no transforma la ener- gía eléctrica en calorífica, sino que utiliza el compresor para bombear calor desde el exterior hasta la instalación.

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Funcionamiento de una Bomba de Calor Aerotérmica

Tª Exterior: 7ºC

Ta Interior: 22ºC

Tª Refrigerante: 0℃ Gas Baja Presión

Tª Refrigerante: 60℃ Gas Alta Presión

UNIDAD EXTERIOR Circuito primario: aire ambiente, agua subterránea, sondeo cerrado ...

2 3

UNIDAD INTERIOR Circuito secundario: circuito de calefacción, acumulador de agua caliente, conductos de aire caliente ...

0 EVAPORADOR COMPRESOR CONDENSADOR 1 1 - 4

Tª Refrigerante: - 15℃ Líquido Baja Presión

VÁLVULA DE EXPANSIÓN

Tª Refrigerante: 30℃ Líquido Alta Presión

1. El fluido refrigerante (FR) en estado líquido a baja temperatura. Pasa por el evaporador y absorbe calor del circuito primario.
2. El FR en estado gaseoso a baja temperatura. Al absorber energía en el evaporador pasa a estado gaseoso.
3. EI FR en estado gaseoso a alta temperatura. Al pasar por el compresor aumenta su presión y temperatura.
4. El FR en estado líquido a baja temperatura. Al pasar por la válvula de expansión, cede su energía en el condensador y vuelve a su estado inicial (líquido).

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El rendimiento de la bomba de calor (COP), cociente entre la energía que devuelve en forma de calor en los loca- les o al agua caliente sanitaria y la que consume, gran parte en el compresor, puede ser superior a 4 o 5, lo que supone que por cada kilovatio consumido suministran 4 kW o 5 kW. Esto ha motivado que las bombas de calor, según la Direc- tiva de Eficiencia Energética de la CEE, sean consideradas como energía alternativa cuando tienen un rendimiento me- dio (estacional) superior a 2,5.

Un inconveniente de estos equipos es que el rendimiento es menor en invierno que en verano, porque, en invierno el nivel de calor a temperaturas bajas es más pequeño y, por tanto, es más difícil extraer calor del aire que en verano, cuando la temperatura exterior es más elevada.

Los equipos de bomba de calor pueden ser compactos o partidos.

Los sistemas compactos son los que han sido montados y cargados de refrigerante y se instalan sin necesidad de conectar sus componentes por partes. Estos sistemas están marcando tendencia en el mercado, instalados en el exterior calentando o enfriando agua según sea ciclo de invierno o verano, con anticongelante en el caso de posibilidad de heladas, que se conduce a un módulo hidráulico en el inte- rior de los locales desde donde se distribuye a los distintos servicios. Disponen de un sistema de control con micropro- cesador para gobernar todas las actuaciones.

Dentro de esta categoría, también están incluidas las bombas de calor aire-agua para producción de agua calien- te sanitaria (Figura 2.3), que se instalan en el interior de las viviendas y cuentan con una resistencia eléctrica de apoyo, para completar la producción de calor en caso necesario y choques térmicos antilegionela, y conductos de entrada y evacuación de aire de la batería que hace la función de evaporador.

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Evaporador Condensador Conductos de toma de aire y expulsión OT

Los sistemas partidos o split disponen de dos unidades, exterior e interior, que se interconectan en la instalación me- diante acoplamientos y pequeños tramos de tubería frigorífi- ca. Dentro de estos sistemas, se comercializan equipos cuya unidad interior es un módulo capaz de suministrar todos los servicios necesarios en una vivienda: agua caliente sanitaria calefacción y refrigeración.

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