Instalaciones con anillo de distrito

Ricardo García San José. Vicepresidente del Comité Técnico de Atecyr29/10/2021

El objetivo de emisiones neutras de gases de efecto invernadero en 2050 dentro de la Unión Europea supone un reto muy ambicioso, que va a obligar a realizar las instalaciones térmicas de los edificios sustituyendo los consumos de combustibles fósiles por energía eléctrica (de origen renovable) y de fuentes de energía renovable o residual.

En este escenario un protagonista fundamental es la bomba de calor, que en su versión 'reversible' puede proporcionar frío o calor. La oferta de equipos que al mismo tiempo pueden proporcionar frio y calor es cada vez más habitual. Esta producción simultánea de frío y calor también puede conseguirse con diseños adecuados de las instalaciones.

Entre los equipos que pueden proporcionar frío y calor simultáneamente están (Figura 1):

Enfriadoras con recuperación de calor: Son unidades diseñadas para proporcionar refrigeración que una vez en marcha pueden recuperar calor, con dos opciones:
- Recuperación Parcial a Alta Temperatura: Si el nivel térmico necesario en calor es alto sólo resulta aprovechable la descarga de los compresores, siendo una parte de la energía disipada en el condensador.
- Recuperación Total a Temperatura Media: Si existen necesidades de calor a menores temperaturas puede recuperarse todo el calor de condensación.
Bombas de calor polivalentes: También denominadas a 4 o 6 tubos; pueden entrar en funcionamiento indistintamente para producir frío o calor, pero aprovechando de manera simultánea los dos efectos: frío y calor; este último puede proporcionarse sólo a media temperatura (4 tubos) o una parte a alta temperatura y el resto a temperatura media (6 tubos).

Explicamos y justificamos a continuación.

Figura 1: Ciclo de compresión indicando los niveles térmicos habituales en evaporación y las posibilidades de aprovechamiento de la condensación con dos niveles diferentes. Esquemas simplificados de unidades condensadas por aire: enfriadoras con recuperación de calor y bombas de calor polivalentes. Esquemas de unidades agua/agua, con uno o dos niveles térmicos en condensación.

Esta amplia gama de equipos permite que la bomba de calor pueda adaptarse muy eficientemente a la gran mayoría de edificios, siendo especialmente eficaces cuando se puedan utilizar de manera conjunta las producciones de frío y calor.

La limitación de las bombas de calor la establecen las temperaturas necesarias en las instalaciones, cuanto más altas sean las requeridas para calor sus prestaciones son menores, existiendo siempre una limitación en función del modelo seleccionado; por ello en nueva edificación el diseño de las instalaciones debe permitir trabajar con temperaturas lo más bajas posible.

En refrigeración es más eficiente trabajar con las temperaras más altas posibles, compatibles con las necesarias para el servicio (combatir la carga latente), pero en este uso los límites necesarios no generan problemas especiales a las unidades ofrecidas en el mercado.

En los edificios el servicio que mayores temperaturas suele requerir es el Agua Caliente Sanitaria (ACS) que para prevención de la Legionelosis necesita temperaturas en el primario superiores a 70°C.

Diseño de instalaciones conectadas a anillos exteriores

Una solución que optimiza la eficiencia de las instalaciones consiste en interconectar diferentes edificios con un circuito externo (Anillo exterior) en el que se integrarán las bombas de calor agua/agua de cada edificio; de modo que este circuito exterior trabajará a bajas temperaturas (15 a 30°C) aportando, o disipando calor en cada edificio. El comportamiento será optimo cuando se combinen edificios que requieren fundamentalmente calor, con otros que al mismo tiempo requieran frío (viviendas, oficinas, locales comerciales, hoteles, etc.) de manera que se trasvase energía de unos a otros.

En la Figura 2 se muestra una instalación tipo para un edificio, la bomba de calor agua/agua trabaja simultáneamente con sendos acumuladores de inercia, uno conectado al evaporador, con temperaturas del orden de 7°C, y otro asociado al condensador con temperaturas en el entorno de 50°C. A los depósitos se conectan los colectores de las distribuciones de frio y/o calor interiores y se comunican con la distribución exterior mediante un intercambiador.

Figura 2: Esquema de una instalación con un equipo agua/agua que proporciona simultáneamente frío Y calor, conectado a una fuente de calor exterior (hidrotermia, geotermia, etc.), se trata del equipo base para soluciones con Anillo exterior.

En el uso habitual del edificio siempre habrá un servicio con mayor demanda; cuando la prioritaria sea de frío el sistema cubrirá la demanda total del edificio y la de calor simultánea, disipando en el anillo el excedente de calor producido; si la demanda mayoritaria es la de calor la bomba de calor atenderá a este servicio disipando el frío restante en el anillo exterior (Figura 3).

Figura 3: Instalación de la figura 2 con las dos posibilidades de funcionamiento: Cuando sean mayoritarias las demandas de frío o de calor.

Para disipar la energía en el anillo exterior se disponen válvulas motorizadas de tres vías que adecuan las temperaturas de disipación a las compatibles con el anillo, manteniendo en los depósitos de inercia las temperaturas compatibles con los servicios térmicos del edificio.

En las épocas del año en las que el edificio demanda solo un uso térmico, con el fin de incrementar las prestaciones estacionales, el control puede modificar las temperaturas de evaporación, subiéndola cuando no se requiere refrigeración, o bajando la de condensación cuando no se esté utilizando la calefacción.

Si se requiere un servicio con mayor temperatura, como el de ACS, se puede alcanzar con una segunda bomba de calor (Figura 4), habitualmente de menor potencia, con su evaporador conectado al depósito de inercia de calor mediante una válvula motorizada de tres vías, que estabilice la temperatura de evaporación al nivel térmico requerido por esta unidad para alcanzar la temperatura necesaria en el condensador, que puede ser superior a 70°C.

Figura 4: Esquema de una instalación con un circuito de alta temperatura alimentado con una segunda bomba de calor agua/agua con el evaporador conectado al depósito de inercia de calor (condensador de la bomba de calor base).

Los esquemas anteriores se limitan a una única bomba de calor para todo el edificio, o a una sola unidad para el servicio de alta temperatura. No obstante, cada instalación puede disponer de las unidades que sean necesarias para un adecuado fraccionamiento de potencia, o para lograr una mayor fiabilidad del servicio en caso de avería de alguna de las unidades instaladas, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5: Esquema de una instalación con dos bombas de calor conectadas a una fuente térmica exterior (Anillo) trabajando en paralelo para cubrir las demandas térmicas del edificio, complementadas con otras dos bombas de calor, también en paralelo, para los servicios de alta temperatura.

Además de las unidades agua/agua mostradas en los esquemas, las unidades interiores de los edificios, o locales, conectados a la red exterior pueden ser también aparatos de expansión directa o equipos agua/aire; es decir que el anillo se puede utilizar para todo tipo de sistemas de climatización.

Evidentemente el conjunto de edificios prácticamente nunca estará totalmente en equilibrio térmico, siempre se tendrán mayores necesidades de calor o de frio. Los mayores desequilibrios se darán en los días más fríos del año, en los que la demanda mayoritaria será de calor, y en los días más cálidos en los que será el frio el servicio solicitado prioritariamente.

Por ello el anillo debe ser alimentado con producciones térmicas externas a los edificios. Al tratarse de un anillo en baja temperatura admite la integración de todo tipo de producciones renovables: hidrotermia, geotermia, solar térmica en baja temperatura, etc.

Para las necesidades punta de calor se pueden prever calderas, por ejemplo, de biomasa, o de hidrógeno verde (cuando la tecnología lo permita), cogeneración, energías residuales, etc. La integración de estos sistemas exige una reducción entre su temperatura de producción y la de conexión al anillo (Figura 6).

Figura 6: Esquema de unidades bomba de calor conectadas a un Anillo externo; las bombas de calor de los edificios pueden ser agua/agua (como las de las anteriores figuras) o también agua/aire e incluso unidades de expansión directa, con distribución térmica interior con tuberías de refrigerante. Se muestran diferentes opciones de aportación térmica general.

Para las demandas punta de refrigeración, si no son suficientes la geotermia y/o la hidrotermia, el anillo debe complementarse con aerorrefrigeradores, torres de refrigeración, incluso pueden necesitarse enfriadoras (Figura 6).

La instalación de bombas de calor puede cubrir las puntas tanto de frío como de calor.

Para atenuar las curvas de demanda también pueden integrarse depósitos de inercia.

Consideraciones finales

Esta solución permite utilizar únicamente electricidad o energías renovables, lo que facilita el cumplimiento de los objetivos 2050, siempre que la producción eléctrica sea de origen renovable.

La combinación de equipos proporciona una mayor eficiencia al trasvasar energía internamente en cada edificio y a través del Anillo exterior entre edificios; la gestión conjunta de zonas urbanas además permitiría el almacenamiento de energía en los momentos más favorables para ser utilizada en las puntas, atenuando las mismas, por ejemplo, aprovechando la inercia de los propios edificios, sobre todo en invierno, o en los depósitos intercalados en el anillo y en los edificios.

Las principales ventajas son:

El conjunto de las instalaciones presenta mayores eficacias debido a las temperaturas moderadas del anillo.
La integración de un alto número de edificios optimiza el consumo de energía al permitir su transferencia entre los edificios.
Como el anillo trabaja a temperaturas moderas las pérdidas de calor son despreciables y las ganancias favorecen el comportamiento del conjunto (geotermia).
Facilidad de integración de las energías renovables y electrificación de consumos para la descarbonización.

Su implantación impone una serie de servidumbres que pueden dificultarla, debiendo resolverse previamente:

La inversión en el anillo supone un coste que debe imputarse a cada instalación, puede requerir la creación de empresas que asuman estas inversiones como sucede con las instalaciones de distrito.
La forma de repercutir los gastos entre los diferentes consumidores del anillo es compleja, no se trata de una venta directa de energía puesto que en cada momento hay edificios que consumen, mientras que otros aportan; no siempre es el calor lo que se debe facturar ya que cuando el consumo mayoritario sea refrigeración el anillo lo debe disipar, en ese caso los que demanden calor estarán favoreciendo la eficiencia.
Se tienen otros consumos, electricidad para bombeo, energía en producción, etc., que también deben ser distribuidos entre los consumidores.
En edificios existentes presenta especial dificultad la integración de instalaciones individuales.