¿Cómo pueden las bombas de calor de fuente de aire hacer frente a entornos de temperaturas ultrabajas?

En los últimos años, las bombas de calor aerotérmicas han recibido mucha atención y se han popularizado en el mercado. Sin embargo, existen varios factores que afectan significativamente su rendimiento: en primer lugar, su rendimiento se reduce significativamente en condiciones de baja temperatura ambiente; y en segundo lugar, el problema de la formación de escarcha durante el proceso de calentamiento afecta gravemente la eficiencia energética y la fiabilidad. En los últimos años, numerosos investigadores e ingenieros han invertido grandes esfuerzos en mejorar la tecnología de las bombas de calor aerotérmicas para solucionar estos problemas.

PARTE 01 Tecnología de compresión multinivel

La tecnología de compresión de frecuencia variable es uno de los métodos más eficaces para mejorar la capacidad calorífica de las bombas de calor aerotérmicas. En condiciones de baja temperatura, aumentar la velocidad del compresor puede incrementar significativamente su cilindrada, mejorando así la capacidad calorífica de la bomba. Sin embargo, la tecnología de conversión de frecuencia no puede mejorar la eficiencia energética del sistema. Para mejorar simultáneamente la capacidad calorífica y la eficiencia energética a bajas temperaturas, se ha desarrollado la tecnología de compresión multietapa.

Según las diferentes etapas de compresión y estructuras de ciclo, las bombas de calor de aire comprimido multietapa se dividen en ciclo en cascada y compresión dual/multietapa. Para mejorar la capacidad calorífica de un sistema de compresión de una sola etapa a bajas temperaturas ambiente, se puede inyectar refrigerante directamente en la cámara de compresión durante el proceso, lo que se denomina compresión cuasi bietapa. Debido a las características de un ciclo de compresión bietapa, este artículo lo incluye en el ámbito de este tipo de compresión.

1.1 Bomba de calor de fuente de aire apilada

Debido a la baja temperatura ambiente, la relación de presión del sistema es alta, la potencia de compresión es elevada y la pérdida por estrangulamiento es considerable, lo que en última instancia resulta en una baja eficiencia energética de la bomba de calor. Para reducir las pérdidas y mejorar la eficiencia, el sistema de bomba de calor de fuente de aire apilada utiliza dos ciclos de compresión de vapor en serie en lugar de un solo ciclo para reducir la relación de compresión de un ciclo de una sola etapa.

El sistema en cascada consta de dos ciclos de compresión de vapor independientes, uno es el ciclo de etapa de baja temperatura y el otro es el ciclo de etapa de alta temperatura. Estos dos ciclos están conectados a través de un intercambiador de calor intermedio compartido, que funciona como condensador para el ciclo de baja temperatura y como evaporador para el ciclo de alta temperatura. En invierno, el ciclo de baja temperatura absorbe calor del aire ambiente a través de un evaporador y eleva el calor a una temperatura más alta, proporcionándolo como fuente de calor para el ciclo de alta temperatura; En el ciclo de alta temperatura, el calor vuelve a aumentar hasta la temperatura necesaria para la calefacción interior.

Al utilizar una bomba de calor de aire apilada, la relación de presión del ciclo se reduce considerablemente, lo que reduce la pérdida total de compresión y la pérdida por estrangulamiento, mejorando así la eficiencia energética de la bomba. Además, según las diferentes condiciones de funcionamiento, se pueden utilizar diferentes refrigerantes para las etapas de alta y baja temperatura del ciclo en cascada. Dado que el sistema apilado puede implementarse utilizando dos sistemas simples de una sola etapa, se ha utilizado en aplicaciones de calefacción y suministro de agua caliente durante muchos años. Sin embargo, la diferencia de temperatura de transferencia de calor del intercambiador de calor intermedio en el ciclo en cascada inevitablemente conlleva una cierta pérdida de eficiencia. Además, el ciclo en cascada requiere el uso de dos compresores y un intercambiador de calor adicional, lo cual es más costoso en comparación con los ciclos de una sola etapa.

1.2 Bomba de calor de aire comprimido de dos etapas

Una bomba de calor de aire comprimido de dos etapas conecta dos ciclos de refrigeración, lo que puede considerarse una forma simplificada de un sistema en cascada. Como se muestra en la figura a continuación, las bombas de calor de aire comprimido de dos etapas se pueden dividir en dos categorías según los diferentes economizadores utilizados: sistemas de tanque de expansión (FT) y sistemas de intercambiador de calor intermedio (IHX).

En el sistema de tanque de expansión, el refrigerante líquido que sale del condensador interior se divide en dos fases y entra en el tanque de expansión. El refrigerante bifásico se separa en gas saturado y líquido saturado en el tanque de expansión. Tras mezclarse el refrigerante gaseoso saturado con el refrigerante de escape del compresor de baja presión, el compresor de alta presión lo vuelve a comprimir. El líquido saturado, regulado por la segunda válvula de expansión, entra en el evaporador exterior para evaporarse en gas. Posteriormente, entra en el compresor de baja presión y se mezcla con el gas de media presión en el tanque de expansión.

En el sistema de intercambiador de calor intermedio, el refrigerante líquido a la salida del condensador se divide directamente en dos corrientes: la corriente principal y la corriente de derivación. El refrigerante de derivación se estrangula a presión media y entra en el intercambiador de calor intermedio. El refrigerante de baja temperatura enfría el refrigerante principal hasta un estado de sobreenfriamiento. El refrigerante de derivación absorbe calor y se satura o sobrecalienta, y se mezcla con el escape del compresor de baja presión antes de entrar en el compresor de alta presión para su posterior compresión. El refrigerante subenfriado a la salida principal del intercambiador de calor intermedio se estrangula, pasa por el evaporador y finalmente regresa al compresor de baja presión, donde se comprime a presión media y se mezcla con el refrigerante de derivación.

1.3 Bomba de calor con fuente de aire comprimido de casi dos etapas

Una bomba de calor de aire comprimido de dos etapas (también conocida como sistema de aire suplementario) es muy similar a un sistema de compresión de dos etapas. La diferencia radica en que en este último se utiliza un compresor con un puerto de suministro de aire intermedio en lugar de dos compresores conectados en serie. En la compresión de dos etapas, el refrigerante del tanque de expansión o del intercambiador de calor intermedio se inyecta en la cámara de compresión del compresor, en lugar de entre ambos.

Por lo tanto, una bomba de calor cuasi-bietapa puede considerarse una versión simplificada de una bomba de calor de dos etapas, que utiliza un compresor de suministro de aire especialmente diseñado para reemplazar los dos compresores, lo que evita el problema de la ecualización de aceite entre ambos y reduce los costos del sistema. Más importante aún, al cerrar la válvula en la rama de suministro de aire, el sistema cuasi-bietapa puede cambiar con flexibilidad al modo de circulación de una sola etapa, optimizando así el rendimiento de la bomba de calor cuasi-bietapa tanto en invierno como en verano. Por lo tanto, en los últimos años, la tecnología de compresión cuasi-bietapa se ha aplicado ampliamente en bombas de calor de baja temperatura.

PARTE 02 Reemplazo de refrigerante

Actualmente, el R22 y el R410A son los refrigerantes más utilizados en sistemas de bombas de calor aerotérmicas, siendo sus principales sustitutos el R290, el R32, el R744, el R161 y algunos refrigerantes mixtos HFC. Sin embargo, a excepción del R744, todos los refrigerantes de PCA medio y bajo presentan cierto grado de inflamabilidad, y su aplicación debe cumplir con las normas o regulaciones de seguridad pertinentes, considerando la cantidad de carga y otros requisitos especiales.

En cuanto a los sustitutos de refrigerantes puros, el R290 tiene una presión de funcionamiento y una capacidad similares a las del R22, y presenta una mayor eficiencia energética. Sin embargo, debido a su inflamabilidad, es principalmente adecuado para sistemas de carga pequeños. Los fabricantes han presentado aires acondicionados split y bombas de calor aerotérmicas que utilizan R290. La presión de funcionamiento y la capacidad del R32 son similares a las del R410A, y su eficiencia energética también es comparable, incluso ligeramente superior.

Actualmente, el R32 es adecuado para diversos tipos de equipos de aire acondicionado en el mercado y se utiliza en unidades split en diversos países y regiones, como Japón, China, Corea del Sur y Europa. Algunos fabricantes también utilizan el R32 para otros tipos de sistemas, como las unidades multisplit. La aplicación del R744 en calefacción y refrigeración es limitada debido a su eficiencia energética en modo refrigeración, especialmente cuando la temperatura exterior es alta. Sin embargo, el ciclo transcrítico del R744 ofrece ventajas significativas en el agua caliente a alta temperatura.

Además de los refrigerantes puros, existen numerosos refrigerantes mixtos diseñados específicamente para bombas de calor de fuente de aire, compuestos principalmente por dos o más refrigerantes puros, como R32, R125, R134a, R152a, R161, R1234yf, R1234ze, R600a, R1270 y R290. Algunos refrigerantes mixtos, como R444B, R446A y R447A, han recibido números de registro, mientras que muchos otros refrigerantes mixtos se encuentran en continuo desarrollo. Estos refrigerantes mixtos suelen tener presiones y capacidades de operación similares a las del R22 o R410A, con PCA de entre 150 y 1000, y niveles de inflamabilidad de 1 (refrigerantes de PCA alto) o 2L (refrigerantes de PCA medio). Actualmente, la mayoría de los fluidos de trabajo mixtos no se han producido en masa y sus datos técnicos aún no se han publicado.