Quins factors causen la reducció de l'eficiència de la bomba de calor?
Aclamada com una solució clau per substituir la calefacció amb combustibles fòssils, la tecnologia de les bombes de calor s'està desplegant ràpidament a tot el món. Tanmateix, com que moltes instal·lacions no aconsegueixen nivells d'eficiència teòrics en el funcionament real, les causes subjacents s'estan examinant.
Una enquesta de l'Energy Saving Trust (EST) del Regne Unit va revelar una dada sorprenent: El 83% de les bombes de calor instal·lades al Regne Unit tenen un rendiment inferior al previst, amb un 87% que no compleix el punt de referència mínim d'eficiència energètica d'una qualificació de 3 estrelles.
Una investigació de l'ETH Zurich, en col·laboració amb diverses universitats, va analitzar dades operatives reals de 1.023 bombes de calor de 10 països de l'Europa Central. Van trobar variacions significatives de rendiment entre les unitats, en condicions de temperatura idèntiques. la diferència del coeficient de rendiment (COP) entre alguns dispositius s'ha arribat a 2-3 vegadesAquesta troballa ha impulsat la indústria a reexaminar els factors crítics que afecten l'eficiència de les bombes de calor.
01 Problemes d'equipament i instal·lació
Els principals culpables de la baixa eficiència de la bomba de calor resideixen en l'equip en si i en la qualitat de la instal·lació. L'estudi EST va identificar gestió desorganitzada de la indústria dins del sector de les instal·lacions com un problema central.
Simon Green, cap de desenvolupament empresarial d'EST, va declarar amb franquesa: "Quan s'instal·la i s'utilitza correctament, la tecnologia de la bomba de calor podria reduir significativament les emissions de CO₂ del Regne Unit. Tanmateix, la situació actual difereix considerablement de les nostres estimacions."
Al Regne Unit, el Consell de la Indústria de la Calefacció i l'Aigua Calenta (HHIC), responsable de les instal·lacions de bombes de calor residencials, va reconèixer públicament manca de personal suficient per ajudar els consumidors a triar productes adequatsAquesta absència d'orientació experta provoca freqüents errors de selecció, i els usuaris sovint compren equips que no s'adapten a les característiques del seu edifici.
L'envelliment dels equips és un altre factor decisiu per a l'eficiència. Els fabricants moderns de bombes de calor d'aire indiquen a les seves guies de manteniment que components clau com els compressors i els intercanviadors de calor es desgasten amb el tempsUn segellat deficient provoca fuites de refrigerant, cosa que redueix l'eficiència de la calefacció/refrigeració, mentre que els sistemes elèctrics envellits afecten directament l'estabilitat operativa.
02 Factors ambientals i de disseny
Les condicions ambientals són la segona variable important que afecta l'eficiència. La temperatura ambient influeix decisivament en l'eficiència de calefacció de les bombes de calor d'aire. temperatures més baixes comporten una eficiència significativament reduïda.
La ubicació de la instal·lació és igualment crucial. La col·locació a prop de fonts de calor o radiadors restringeix el flux d'aire, cosa que afecta directament l'eficiència de l'intercanvi de calor. La humitat interior i la qualitat de l'aire també creen efectes en cascada sobre el rendiment de la calefacció.
L'anàlisi de dades a gran escala de l'ETH Zurich va descobrir que Les bombes de calor geotèrmiques van aconseguir un COP mitjà de 4,90, superant amb escreix la mitjana de 4,03 de les unitats d'aire.Crucialment, l'eficiència de la font geotèrmica es veu menys afectada per les fluctuacions de la temperatura exterior, cosa que demostra un rendiment més estable.
La investigació també va descobrir un defecte clau de disseny: aproximadament Entre el 7 i l'11% dels sistemes de bomba de calor estan sobredimensionats, mentre que aproximadament l'1% estan infradimensionats.Aquest desajust de mida impedeix el funcionament en condicions òptimes, provocant un malbaratament d'energia.
03 Funcionament i manteniment incorrectes
L'estat de manteniment d'un sistema de bomba de calor afecta directament la seva eficiència a llarg termini. El manteniment regular és clau per garantir el funcionament normal, tot i que aquest requisit bàsic sovint es descuida a la pràctica.
Un manteniment deficient pot causar obstruccions o danys als components, mentre que els mètodes de manteniment no estàndard introdueixen nous problemes. Els nivells incorrectes de càrrega de refrigerant, ja siguin sobrecarregats o insuficients, redueixen significativament l'eficiència de la calefacció. L'ús d'agents de neteja inadequats als intercanviadors de calor també perjudica el rendiment.
Una investigació europea indica que Reduir la configuració de la corba de calefacció en 1 °C pot augmentar l'eficiència mitjana de la bomba de calor en 0,11 COP i reduir el consum d'energia de la llar en un 2,61 %.Molts usuaris desconeixen aquests mètodes d'optimització, cosa que comporta un funcionament subòptim prolongat.
Els problemes amb el refrigerant són una altra causa freqüent de pèrdua d'eficiència. Una capacitat de transport de calor insuficient del refrigerant redueix l'intercanvi de calor efectiu per cicle. Alguns fabricants utilitzen refrigerants de baixa qualitat per reduir costos o es produeixen fuites durant el transport, cosa que fa que no s'aconsegueixin les temperatures de l'aigua de disseny.
04 Problemes de configuració i dimensionament del sistema
Una configuració inadequada del sistema és una causa profunda d'ineficiència. Les bombes de calor dedicades a la producció d'aigua calenta sanitària (ACS) mostren valors de COP significativament més baixos que les que s'utilitzen per a la calefacció, ja que L'ACS requereix temperatures de flux més altesAquesta diferència en les característiques de la demanda d'energia sovint es passa per alt durant el disseny.
Els problemes de dimensionament són particularment greus en aplicacions residencials. L'equip de l'ETH Zurich va desenvolupar mètriques d'utilització per avaluar l'adequació del dimensionament i va descobrir que Els sistemes sobredimensionats o de mida insuficient són notablement comuns.
A la indústria, els mètodes d'integració de sistemes tenen un impacte crític en l'eficiència general. Els estudis en projectes de captura de CO₂ en plantes de ciment mostren que La integració de bombes de calor d'alta temperatura pot reduir el cost incremental del clínquer en un 32%Tanmateix, aconseguir aquesta optimització requereix un disseny precís del sistema i unes capacitats d'integració que plantegen reptes per a molts instal·ladors.
Els populars sistemes de doble subministrament (refrigeració i calefacció integrades) de la Xina milloren l'eficiència energètica general mitjançant un disseny innovador. A l'estiu, el refrigerant es distribueix mitjançant unitats interiors muntades a la paret; a l'hivern, l'aigua calenta circula a través de sistemes de calefacció radiant per terra, en línia amb el principi de salut tradicional xinès de peus calents, cap fred. Les configuracions optimitzades produeixen guanys d'eficiència significatius.
05 Solucions i perspectives de futur
Abordar els reptes d'eficiència de les bombes de calor requereix tant innovació tecnològica com ajustaments polítics. Un avenç dels investigadors de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Hong Kong (HKUST) implica un aliatge elàstic de Ti₇₈Nb₂₂, aconseguint una eficiència de canvi de temperatura 20 vegades superior a la dels metalls convencionals, arribant al 90% del límit d'eficiència de Carnot.
Aquest material s'escalfa i es refreda mitjançant la deformació elàstica, obrint un nou camí per a la tecnologia de bombes de calor d'estat sòlid. L'equip està desenvolupant actualment un prototip de bomba de calor industrial basat en aquest aliatge.
La supervisió operativa i l'ajust intel·ligent ofereixen guanys pràctics d'eficiència. Investigadors europeus recomanen establir procediments estandarditzats d'avaluació del rendiment posterior a la instal·lació i desenvolupant eines digitals per ajudar els usuaris a optimitzar la configuració. Ajustos senzills, com ara reduir la corba de calefacció, permeten un estalvi energètic substancial.
Cal refinar el disseny de polítiques. L'experiència alemanya demostra que Els preus elevats de l'electricitat poden dificultar l'adopció de bombes de calorUns ajustaments racionals a les estructures dels impostos sobre l'energia, que fessin que l'electricitat fos més competitiva respecte al gas natural, accelerarien la substitució de la calefacció amb combustibles fòssils.
Les aplicacions industrials tenen un gran potencial. Els projectes de captura de CO₂ de plantes de ciment que integren bombes de calor d'alta temperatura demostren la capacitat de la tecnologia per reduir les emissions alhora que redueixen els costos incrementals del clínquer en un 32%. A mesura que l'electricitat renovable s'expandeix i la tecnologia de les bombes de calor d'alta temperatura madura, aquestes solucions podrien convertir-se en tecnologies bàsiques de descarbonització per a les indústries intensives en energia.
El camí de desenvolupament futur de la tecnologia de les bombes de calor és cada cop més clar. L'aliatge elàstic Ti₇₈Nb₂₂ desenvolupat pels científics de materials de HKUST té un rendiment excepcional al laboratori. Els camps industrials estan explorant noves fronteres. Els projectes de captura de carboni de les plantes de ciment que combinen bombes de calor d'alta temperatura amb recompressió mecànica de vapor (MVR) han reduït Costos de captura de CO₂ fins a 125,9 € per tonaA mesura que aquestes innovacions passin del laboratori al mercat, les bombes de calor es convertiran realment en una força fonamental en la transició energètica global.