8.6: Refrigeración y Calefacción (II)
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Bomba de calor de fuente de aire o bomba de calor aire-aire
Una fuente de aire o una bomba de calor aire-aire puede proporcionar tanto calefacción como refrigeración.
- En el invierno, una bomba de calor extrae el calor del aire exterior y lo entrega en interiores.
- En los calurosos días de verano, funciona a la inversa, extrayendo calor del aire de la habitación y bombeándolo al aire libre para enfriar la casa.
Casi todas las bombas de calor aire-aire y aire-aire funcionan con electricidad. Tienen una unidad compresor/condensador exterior que está conectada con tubos llenos de refrigerante a un controlador de aire interior. A medida que el refrigerante se mueve a través de la tubería del sistema, completa un ciclo básico de refrigeración, calentando o enfriando las bobinas dentro del manejador de aire. El soplador tira del aire de la habitación, lo hace circular a través de las bobinas y empuja el aire a través de los conductos de regreso a las habitaciones.
Cuando se necesita calor adicional en días particularmente fríos, elementos suplementarios de resistencia eléctrica se colocan en el interior del controlador de aire para agregar calor al aire que está pasando.
En el invierno, una bomba de calor extrae el calor del aire exterior y lo entrega en interiores. En verano, la bomba de calor extrae el calor del aire de la habitación y lo bombea al aire libre para enfriar la casa.
Los videos a continuación explican los ciclos de calentamiento y enfriamiento de una bomba de calor.
El punto de equilibrio
Como hemos aprendido, las bombas de calor aire-aire y aire-aire funcionan extrayendo calor del aire exterior. Estas bombas de calor requieren un sistema de respaldo para complementar su capacidad de calentamiento cuando la temperatura exterior llega por debajo de cierta temperatura.
A medida que baja la temperatura exterior, aumenta el requisito de calefacción de la casa y disminuye la salida de la bomba de calor. En algún momento, la temperatura del requisito de calefacción de la casa y la salida de la bomba de calor coinciden. Esta temperatura se llama punto de equilibrio y suele caer entre 30-45 grados Fahrenheit. Para cualquier temperatura por debajo del punto de equilibrio, se requerirá calor suplementario.
Para ubicar el punto de equilibrio, se trazan el requisito de calefacción (BTus/h) de la casa y la salida de la bomba de calor (BTUS/h) frente a los cambios en la temperatura exterior. El lugar donde se cruzan el requisito de calefacción del hogar y las líneas de salida de bomba de calor es el punto de equilibrio
La figura 8.6.2 muestra una gráfica del punto de equilibrio.
Figura 8.6.2. Punto de equilibrio
Eficiencia de una Bomba de Calor
La eficiencia de una bomba de calor se mide usando un término c oeficiente de rendimiento (COP), y es la relación del calor útil que se bombea a una temperatura más alta, a una cantidad unitaria de trabajo que se pone en. Veremos COP en términos de bombas de calor de fuente de aire.
Una expresión general para la eficiencia de un motor térmico se puede escribir como
\[ COP = \dfrac{(Heat \, Energy)_{hot}}{Work} \]
Usando la misma lógica que se utilizó para los motores térmicos, la ecuación 8.6.1 se convierte en
\[ COP = \dfrac{Q_{hot}}{Q_{hot} - Q_{cold}} \]
donde Q h ot es la entrada de calor a alta temperatura y Q frío es el calor rechazado a baja temperatura. Así, la ecuación 8.6.2 puede reescribirse como
\[ COP = \dfrac{T_{hot}}{T_{hot} - T_{cold}} \]
Nota
T caliente y T frío deben expresarse en unidades de Kelvin.
Problemas de ejemplo
Ejemplo 1
Calcule el COP ideal para una bomba de calor aire-aire utilizada para mantener la temperatura de una casa a 70°F cuando la temperatura exterior es 30°F.
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Primero, convierta las temperaturas Fahrenheit a temperaturas Celsius usando
\[ T_{hot} = (70 - 32) * \dfrac{5}{9} = 21°C \nonumber\]
\[ T_{cold} = (30 - 32) * \dfrac{5}{9} = -1°C \nonumber\]
A continuación, convierta las temperaturas Celsius a temperaturas Kelvin agregando 273:
\[ T_{hot} = 21°C + 273 = 294 K \nonumber\]
\[ T_{cold} = -1°C + 273 = 272 K \nonumber\]
Por último, utilice la ecuación 8.6.3 para resolver para el COP:
\[ COP = \dfrac{T_{hot}}{T_{hot} - T_{cold}} \nonumber\]
\[ COP = \dfrac{294 \, K}{294 \, K - 272 \, K} = 13.3 \nonumber\]
El ejemplo 1 muestra que por cada vatio de potencia que utilizamos (y pagamos) para conducir esta bomba de calor ideal, se entregan 13.3 W al interior de la casa y 12.3 desde el exterior (no pagamos por esto). Esto parece ser un trato que no se puede rechazar. Sin embargo, el máximo teórico nunca se alcanza en el mundo real. En la práctica, un COP en el rango de 2 a 6 es típico. Incluso con esta gama, es una excelente opción, ya que por cada vatio de potencia que utilizamos, transferimos de 1 a 5 watts adicionales desde el exterior.
Ejemplo 2
Compare los coeficientes ideales de rendimiento de la misma bomba de calor instalada en State College, PA y Ann Arbor, MI cuando la temperatura interior de una casa se mantiene a 70°F en ambos lugares y las temperaturas exteriores en un día determinado fueron 40°F y 15°F en State College y Ann Arbor, respectivamente.
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State College (Pensilvania) Ann Arbor T caliente = 70°F = 294 K T caliente = 70°F = 294 K T frío = 40°F = 277 K T frío = 15°F = 264 K \[ COP = \dfrac{294 \, K}{294 \, K - 272 \, K} = 17.3 \nonumber\] \[ COP = \dfrac{294 \, K}{294 \, K - 264 \, K} = 9.8 \nonumber\]
Nota
Durante una temporada de calefacción, la eficiencia de la bomba de calor aumenta en días suaves y disminuye en días fríos.