Integración de bombas de calor aerotérmicas con energía fotovoltaica

Manuel Rabanal Gil. Ingeniero del Departamento de Calefacción de Daikin AC Spain

03/07/2023

Nuestra sociedad se enfrenta a un reto sin precedentes en las próximas décadas, tanto a nivel climático como energético. Para afrontarlo, la Unión Europea y los diferentes Estados miembros que la componen proponen medidas encaminadas a reducir la demanda energética, aumentar la eficiencia e integrar energías renovables, ya sea en el sistema eléctrico o en el consumo final de energía. Dentro de esta estrategia global, la electrificación de la demanda será uno de los pilares sobre los que se construya un nuevo modelo energético y social que aspira a una economía más moderna, competitiva y descarbonizada en 2050.

Según datos de la Estrategia de Descarbonización a Largo Plazo, en el año 2050 el 81% de las demandas del sector residencial y el 91% en el sector servicios estarán electrificadas, esperándose que el 96% de los sistemas de climatización empleados sean renovables a mediados de este siglo. Por lo tanto, la significativa penetración futura en este modelo económico neutro en carbono de las energías renovables in situ, como la energía fotovoltaica y las bombas de calor, hace fundamental no solo su rápida implantación sino el aprovechamiento de las sinergias que puedan darse.

Las bombas de calor accionadas eléctricamente y alimentadas total o parcialmente de energía fotovoltaica cercana y gratuita son capaces de transformar la energía eléctrica consumida en energía térmica, y gracias a sus elevados rendimientos, aprovechar ésta para cubrir los servicios de climatización y producción de agua caliente sanitaria logrando un rendimiento económico global de la instalación mayor al derivado exclusivamente del COP de la bomba de calor eléctrica alimentada de red. Además, gracias a los avances en regulación y conectividad de estos equipos, es posible realizar una gestión eficiente de los excedentes de energía eléctrica, por ejemplo a través del Smart Grid.

Integración de diversas energías renovables in situ.

Dentro de las distintas posibilidades de aprovechar la energía fotovoltaica para maximizar el rendimiento de la bomba de calor, la primera y más sencilla es emplear los ajustes de programación para hacer coincidir la producción de agua caliente sanitaria con las horas punta de captación fotovoltaica: parametrizando el equipo a tal efecto, se puede establecer una consigna de acumulación elevada durante las horas centrales del día y acumular agua caliente sanitaria a una temperatura superior a la de consumo. Incluso, con depósitos multienergéticos como los de Daikin Altherma Compact es posible aprovechar esta energía gratuita también para calefacción durante el invierno.

Bombas de calor Daikin Altherma con hidrokits multienergéticos capaces de integrar distintos tipos de energía solar para aprovechamiento en ACS y calefacción.

Un método alternativo al anterior es acumular la energía fotovoltaica en forma de energía térmica en un depósito de inercia de grandes dimensiones cuyo volumen dependerá de la energía demandada por la vivienda, la potencia de bomba de calor instalada y un estudio detallado de las posibilidades de captación solar. La energía eléctrica sobrante transformada en energía térmica podrá emplearse para satisfacer la demanda energética de la vivienda en los periodos de captación fotovoltaica menor o nula.

Ejemplo de acumulación de energía térmica en invierno.

La gestión de la bomba de calor se llevará a cabo mediante diversas tarjetas de control que permitirán tanto limitar la potencia eléctrica consumida (tarjeta EKRP1AHT) por el equipo como modular su temperatura de consigna (impulsión o acumulación en el caso de ACS) y establecer el modo de funcionamiento (tarjeta DCOM-LT/IO). De este modo, es posible limitar tanto la energía consumida por la bomba de calor al valor, por ejemplo, dependiente de la energía solar captada y la energía entregada a la vivienda.

El equipo impulsará agua a mayor (invierno) o menor (verano) temperatura de la consigna habitual con el objetivo de incrementar el almacenamiento térmico en agua. La variación de la temperatura de agua de impulsión se realiza mediante la tarjeta DCOM-LT-I/O. Por ejemplo, mediante el uso de una señal 1-10 kΩ, en invierno se aumentará la consigna de impulsión conforme aumenta la disponibilidad de energía solar, incrementándose el consumo progresivamente. En paralelo, se usa la tarjeta de limitación de demanda (EKRP1AHT) para establecer el consumo máximo de la unidad Daikin Altherma. Esta tarjeta dispone de hasta 4 entradas digitales configurables para limitar la potencia del equipo, aportando una mayor flexibilidad: la entrada 1 será el límite más restrictivo y la entrada 4 el límite menos restrictivo.

Diferentes opciones de control de la temperatura de consigna y del consumo de la bomba de calor.

La utilización de pasarelas DCOM-LT también permite integrar la bomba de calor Daikin Altherma en un sistema domótico Modbus junto al inversor PV y otras instalaciones de la vivienda. Para poder llevar a cabo esta última variante de instalación será necesario un integrador que, mediante el desarrollo de un software específico para la vivienda, automatice diferentes funciones en base a diferentes señales de entrada.

Ejemplo de integración domótica a través de Modbus de bomba de calor Altherma 3, energía fotovoltaica y otros servicios de la vivienda.

Integración mediante protocolo Smart Grid.

El protocolo Smart Grid consta de varias lógicas de control que modifican el comportamiento de la bomba de calor en función de las posibilidades de aprovechamiento de energía fotovoltaica. Dentro de las diferentes tipologías de control, abordaremos el método autoadaptativo por ser el método más eficiente ofrecido por Daikin para aprovechar los excedentes fotovoltaicos. Esta posibilidad de integración fotovoltaica se ofrece de serie en las bombas de calor Daikin Altherma 3.

Por un lado, desde el inversor fotovoltaico será necesario establecer un valor de vertido a red que cierre una salida digital que habilite el protocolo Smart Grid de la bomba de calor, y, por otro lado, para poder modular el funcionamiento de la bomba de calor será necesario un contador eléctrico con salida de pulsos que informará al equipo de cuánta energía se vierte la red en cada instante. Cuando el método de control autoadaptativo se encuentra activo, la máquina basa su filosofía de funcionamiento en acumular el excedente fotovoltaico en forma de energía térmica que será aprovechable tanto en la parte de ACS como en climatización. Además, lo hace de forma inteligente, ya que limita su consumo energético para intentar llegar a un vertido eléctrico cero a red en función de la información suministrada por el contador del pulsos. Es decir, cuanta mayor sea el vertido de energía a red, mayor será la cantidad de pulsos enviada por el contador a la bomba de calor Daikin Altherma, entendiendo ésta que debe incrementar su consumo para transformar el excedente de energía eléctrica fotovoltaica en energía térmica también gratuita y fácilmente acumulable (ACS o climatización). De esta forma, se logran mejores tasas de autoconsumo y se aumenta la tasa de retorno de la inversión inicial.

Para garantizar el confort del usuario final, el equipo trabaja con dos consignas de aire y dos de agua: una primera consigna de confort y una segunda consigna de acumulación de energía. Hasta que la consigna de confort no ha sido satisfecha, el equipo no comienza a modular su consumo. Así, se maximiza el ahorro energético sin penalizar el confort de los usuarios.

Esquema de bomba de calor Daikin Altherma 3 con conexión fotovoltaica.

Imaginemos una vivienda en la cual la temperatura ambiente mostrada en el termostato ambiente de Daikin conectado a la bomba de calor Altherma es de 30°C. El usuario de la vivienda decide establecer la consigna de aire en 27°C (consigna de confort) y el equipo tiene programada la consigna de acumulación de energía en 24°C. El equipo comenzará a trabajar para llegar a 27°C de aire interior sin importar el consumo energético, incluso teniendo el protocolo Smart Grid habilitado. Una vez se alcanza la temperatura de aire de confort, el equipo verifica que está en modo Stand-By (no se encuentra haciendo ni climatización, ni ACS ni desescarches) y que el protocolo Smart Grid está habilitado a través de la correspondiente señal desde el inversor PV, activándose el modo de funcionamiento autoadaptativo. El equipo arrancará modulando el consumo energético para intentar llegar desde los 27°C hasta los 24°C con un vertido a red cercado a 0 W (medidor de pulsos) y acumulando sobre la instalación que actúa como una batería de energía.

Una vez llegado a la temperatura de acumulación de clima, el equipo actuará del mismo modo con la temperatura de ACS: arrancando desde la temperatura ECO hasta la temperatura de acumulación (temperatura confort).

Ejemplo de integración de una bomba de calor Daikin Altherma 3 Monobloc con energía fotovoltaica empleando Smart Grid en modo autoadaptativo.

Por último, el uso del Smart Grid en segundas residencias, donde la ocupación prácticamente se limita al fin de semana, ha cobrado un protagonismo especial en los últimos tiempos. Gracias a esta tecnología, es posible atemperar la vivienda durante la semana con un consumo de energía casi nulo, logrando un tiempo de puesta a régimen muy inferior al llegar el usuario el fin de semana.

Conclusiones

La necesidad de una rápida transición energética hacia una economía descarbonizada hace de la electrificación de la demanda una de las estrategias principales para conseguirla. Dentro de este nuevo paradigma, las bombas de calor de alta eficiencia junto a otro tipo de energías renovables in situ, como la energía fotovoltaica, serán uno de los actores fundamentales en el futuro. Para maximizar las sinergias entre ambas energías renovables existen distintas posibilidades, entre las que destaca el uso del protocolo Smart Grid de las bombas de calor que permite acumular el excedente de energía eléctrica fotovoltaica de una manera eficiente y sencilla.