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Climatización e Instalaciones

Sistemas de climatización integrados con aerotermia y energía solar fotovoltaica

Alberto Jiménez. Jefe del Departamento Técnico Formación y Soporte de Baxi

20/01/2020

A nadie se le escapa en el sector de la climatización de las viviendas la importante relevancia que están adquiriendo los equipos de aerotermia, sobre todo si hablamos de edificios de viviendas de nueva construcción. Estos equipos están considerados como energía renovable por la normativa europea y el propio CTE, siempre que tengan un SCOP superior a 2,5. No obstante, consumen electricidad, por lo que si esta tiene un origen renovable y gratuito, el sistema será aún más eficiente, ecológico y sostenible.

La aerotermia en el sector de la climatización de edificios

El pasado 27 de diciembre de 2019 se publicó por fin el nuevo Documento Básico HE de Ahorro de Energía del Código Técnico de la Edificación. Este nuevo documento normativo tiene un carácter absolutamente prestacional. No es objeto de este artículo el análisis en profundidad de la norma, pero la bomba de calor de aerotermia es, sin duda, una de las tecnologías más favorecidas por este nuevo CTE.

El Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) establece que una de las vías para la consecución de los objetivos es la electrificación de la economía. Parece lógico por lo tanto, que una de las consecuencias de este nuevo CTE sea la sustitución de sistemas de climatización basados en la combustión por otros basados en el consumo de energía eléctrica.

Las bombas de calor de aerotermia son equipos considerados como energía renovable por la normativa europea y el propio CTE, siempre que tengan un SCOP superior a 2,5. Además son equipos que pueden proporcionar en las viviendas, la calefacción para el invierno, la refrigeración para el verano y la producción de ACS.

Por otro lado, también podemos decir que existe ya una tendencia en el mercado de la climatización de viviendas que hace que se instalen cada vez más equipos de aerotermia. Los datos de mercado indican que durante el año 2018 se duplicaron las ventas de estos equipos con respecto al año anterior.

En un mercado creciente de obra nueva, en el que se han terminado unas 75.000 viviendas durante el 2019 todo indica que el número de equipos de aerotermia instalados en los próximos años será cada vez mayor.

Sistemas integrados de aerotermia y energía solar fotovoltaica

Los equipos de aerotermia normalmente son equipos de compresión mecánica que consumen electricidad. Es obvio que si esta energía eléctrica tiene un origen renovable y gratuito, el sistema será aun más eficiente, ecológico y sostenible.

Desde un punto de vista más técnico es muy sencillo acoplar ambas instalaciones. Lo más fácil es añadir a la instalación eléctrica de la vivienda un sistema de producción de energía solar fotovoltaica en autoconsumo. De esa forma siempre que tengamos producción del sistema fotovoltaico cualquier consumo eléctrico dentro de la vivienda se aprovechará.

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Curvas de consumo y curvas de producción solar

Los consumos de energía en las viviendas dependen mucho de los hábitos y costumbres de los usuarios, normalmente familias. Es difícil determinar a priori las curvas de consumo de una familia, pero lo más habitual es que en invierno la demanda máxima de los hogares se produzca entre las 21.00 y las 22.00 horas, coincidiendo con una elevada ocupación de los hogares y con el uso intensivo de la iluminación, calefacción y televisión.

En verano, además de la punta de la noche se produce otro máximo de demanda en las horas centrales del día, entre las 14.00 y las 16.00 horas, como consecuencia del uso de cocinas, lavavajillas y televisión, a los que se suman los equipos de aire acondicionado.

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Por otro lado la producción de electricidad de una instalación de paneles solares fotovoltaicos depende del sol y de las condiciones climatológicas (presencia de nubes).
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Si hacemos coincidir ambas curvas enseguida nos damos cuenta de que no coinciden. Los momentos de máxima producción solar son los momentos de menor consumo en las viviendas.

Para poder aprovechar el exceso de producción solar existen dos soluciones:

  • Acumulación de energía eléctrica en baterías.
  • Cambiar la curva de consumo (Acumulación térmica).

La acumulación eléctrica en baterías en una solución técnicamente viable, aunque tiene tres inconvenientes:

  • Aumento de coste de la inversión.
  • Necesidad de mantenimiento de las baterías.
  • Espacio disponible para las baterías..

En este artículo proponemos como posible solución la hibridación de la instalación fotovoltaica con la instalación de climatización y producción de ACS con aerotermia. La idea es acumular térmicamente el excedente de producción fotovoltaica en el acumulador de agua caliente o en la instalación de calefacción y refrigeración.

Para explicar el concepto vamos a recurrir a un ejemplo.

Instalación de híbrida aerotermia-fotovoltaica para agua caliente

Supongamos una vivienda de 2 habitaciones (3 personas), situada en Madrid. En esta vivienda tenemos instalada una bomba de calor aerotérmica para ACS de 300 litros junto con 2 paneles solares fotovoltaicos de 265 WP cada uno.

Comparemos mes a mes las necesidades de energía para cubrir la demanda de ACS con la bomba de calor y la producción de energía que podríamos obtener de los paneles fotovoltaicos:

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Observamos que casi todos los meses podríamos cubrir el 100% del consumo de la BC para el ACS con la energía solar. En los meses de invierno estaríamos justo en el límite, pero en verano aun tendríamos excedente de producción.

En cambio, si hacemos un análisis horario, durante un solo día de invierno, la comparativa es muy diferente:

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Pese a que la producción solar acumulada durante todo el día es de 2,17 kWh y la demanda de energía para el ACS es de 1,82 kWh, no coinciden en el tiempo. Por lo que estaríamos desaprovechando la producción de energía solar.

Para hacer una acumulación térmica deberíamos comunicar la instalación de los paneles solares con la bomba de calor. De manera que ésta sepa cuando hay producción en el sistema de energía solar. Si la bomba de calor está preparada para ello, se puede hacer con un simple relé de corriente.

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De esta forma la bomba de calor podrá cambiar su consigna de temperatura de agua caliente, para acumular a más temperatura y por lo tanto más energía. Podemos tener programada una temperatura de ACS de 48°C de consigna y aumentarla hasta los 55°C en caso de que tengamos energía solar. Este aumento de consigna nos permite acumular hasta 2,44 kWh de energía en forma de agua caliente para el día siguiente. Es muy importante que la bomba de calor esté adaptada para el funcionamiento con este criterio. Una entrada digital programable puede ser suficiente.

Esto mismo concepto que hacemos para una instalación de agua caliente se puede ampliar para una instalación de agua caliente y calefacción. En el caso de las instalaciones de calefacción el consumo de energía es superior, por lo que las instalaciones de energía solar serán más grandes. Normalmente no vamos a poder cubrir la demanda de calefacción diaria con el exceso de producción solar. Pero si que podemos reducir el consumo de calefacción, al menos durante las primeras horas de funcionamiento por la tarde. Lo haremos nuevamente aumentando la consigna de calefacción, haciendo que la vivienda se caliente con el exceso de energía solar, incluso en momentos en los que el usuario tiene programadas temperaturas más bajas porque no está en casa. Acumularemos energía solar 'gratuita' a través de la inercia térmica de la vivienda. Reduciendo el consumo que necesitaremos unas horas después cuando se conecte la calefacción. En el ejemplo se puede ver cómo podemos cubrir el 50% de la energía requerida para la calefacción durante la tarde con el excedente de energía solar.

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Como en el caso anterior, para la bomba de calor de agua caliente y calefacción también necesitamos comunicar al equipo cuándo tenemos disponible la energía solar fotovoltaica. Cuando el equipo de aerotermia tenga la señal que le indica que hay producción solar cambiará nuevamente su comportamiento, esta vez no sólo cambiará la consigna de acumulación de ACS, también modificará las temperaturas de trabajo de la calefacción.

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Las instalaciones de aerotermia no sólo nos dan calefacción y agua caliente, también pueden aportar la refrigeración del verano si es necesario. En el caso de las instalaciones híbridas aerotermia/fotovoltaica para refrigeración las curvas de demanda de refrigeración y las de producción de energía solar son normalmente muy parecidas. Los momentos de mayor demanda de refrigeración suelen coincidir con los momentos de mayor radiación solar. Aunque si que es posible que la demanda se dispare en los momentos en los que se enciende la instalación. Si trabajamos con el mismo criterio que en invierno, podremos reducir estos picos a base de refrigerar con la energía solar disponible antes de que aparezca la demanda. Nuevamente estamos hablando de una acumulación térmica del exceso de energía producida por la instalación fotovoltaica.

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Sin duda el futuro de la producción de energía solar fotovoltaica en autoconsumo pasa por hacer que la curva de la demanda y la de producción de energía solar fotovoltaica se igualen lo más posible. Los inversores estarán conectados a través de un BUS de datos con los equipos de climatización, con gestores de energía e incluso con internet. El sistema en todo momento sabrá cuanta producción y cuanta demanda energía tenemos y actuará sobre los equipos de climatización para cambiar consignas, sobre el resto de los electrodomésticos e incluso sobre la carga de un vehículo eléctrico.
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