En el proyecto participaron un total de 12 socios, entre ellos, Irec y Tecnalia
El proyecto TRI-HP desarrolla sistemas de trigeneración basados en bombas de calor con refrigerantes naturales
El pasado mes de febrero de 2023 concluyeron las tareas de investigación del proyecto TRI-HP, cuyo objetivo principal era el desarrollo de sistemas de trigeneración con bombas de calor centralizadas, para aportar calefacción, refrigeración, agua caliente y electricidad a edificios plurifamiliares, y todo con un alto porcentaje de energía renovable. Estas bombas de calor usan refrigerantes naturales con bajo potencial de calentamiento global.
El proyecto, que se ha desarrollado durante tres años, ha contado con un presupuesto de 4,99 millones de euros financiados por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.
En el proyecto participaron un total de 12 socios procedentes de universidades, institutos de investigación, industrias y pymes de Suiza, Alemania, Dinamarca, Suecia, Noruega, Bélgica y España. TRI-HP estuvo coordinado por el Instituto SPF de Tecnología Solar de la Universidad de Ciencias Aplicadas HSR en Rapperswil, Suiza.
Por parte de España participaron Tecnalia y el Instituto de Investigación de Energía de Cataluña (Irec), quienes han colaborado en la elaboración de este reportaje.
Bombas de calor con refrigerantes naturales
En concreto, dos sistemas completos fueron desarrollados y probados.
Por un lado, una bomba de calor dual source con propano como refrigerante: gracias a su doble evaporador, este sistema es capaz de cambiar de fuente entre la aerotermia y la geotermia, siempre aprovechando la fuente más eficiente en cada momento.
El segundo sistema consistía en una bomba de calor con almacenamiento de hielo, usando propano o CO2 como refrigerantes. Este sistema usa un gran depósito de hielo como fuente principal de la bomba de calor, que se regenera mediante paneles solares térmicos.
Esquemas de principios de los dos sistemas desarrollados. Cortesía de Irec.
Aportación del Irec
La aportación de Irec en el proyecto se centró en cuatro temas.
En primer lugar, el desarrollo y el test de estrategias de control avanzadas, basadas en control predictivo. Esta aportación tomó la forma de un sistema de gestión inteligente (AEMS, Advanced Energy Management System) capaz de optimizar la operación de los diferentes componentes y en particular de la bomba de calor para reducir su coste operacional, tomando en cuenta previsiones meteorológicas y de precio de la electricidad a corto plazo.
Por otro lado, el Irec trabajó en el desarrollo y elaboración de tests de algoritmos de detección y diagnóstico de fallos en bombas de calor de capacidad variable. Estos algoritmos permiten detectar una bajada de la eficiencia de la bomba de calor (el COP) debida a fallos “leves”, que pasan usualmente desapercidos, y detectar la causa (por ejemplo, una pequeña fuga en el circuito de refrigerante). Así se pueden anticipar las acciones de mantenimiento y el sistema operará siempre a su rendimiento máximo.
En tercer lugar, el Irec realizó las pruebas de sistemas completos en entorno semi-virtual: el laboratorio SEILAB de Irec ubicado en Tarragona permite testear sistemas reales (los prototipos de bombas de calor) en tiempo real, emulando ciertos aspectos como la carga de calefacción del edificio o reproduciendo condiciones ambientales en una cámara climática. Estas pruebas incluyen sistemas tanto eléctricos (batería) como térmicos (bomba de calor, depósitos de agua), para evaluar el funcionamiento de todo el sistema en conjunto.
Finalmente, Irec contribuyó también al desarrollo de modelos de simulación para poder extrapolar las conclusiones del proyecto a otros climas o condiciones. Las pruebas de laboratorio, siendo en tiempo real, solo se pueden realizar para algunos días y climas específicos. Las simulaciones dinámicas por ordenador, más rápidas, permiten generar este tipo de evaluación para años enteros y en una gran variedad de zonas climáticas.
Las tecnologías empleadas por el Irec en el proyecto consistieron en un algoritmo de control predictivo y un sistema de detección y diagnóstico de fallos en la bomba de calor.
El algoritmo de control predictivo tenía por objetivo mejorar la operación del sistema completo, incluyendo la bomba de calor. Esta estrategia de control usa modelos simples de cada componente para evaluar el funcionamiento global en un horizonte de 24 horas en el futuro. Por eso, una parte importante del trabajo consiste en generar estos modelos, ya que los sistemas de TRI-HP son complejos e incluyen muchos componentes. Además de los modelos, el algoritmo necesita previsiones meteorológicas y del precio de la luz en las próximas 24 horas, para encontrar la planificación óptima que acabará generando ahorros en la factura energética. Por ejemplo, el algoritmo podrá decidir cuándo encender la bomba de calor, elegir la fuente más eficiente en cada momento para el caso de la bomba dual, o modular su potencia.
La segunda tecnología empleada por Irec es la detección y diagnóstico de fallos en la bomba de calor. Este algoritmo hace un seguimiento del rendimiento de la bomba de calor y alerta al usuario en caso de detectar una bajada inusual en las condiciones nominales. Por eso, necesita saber el rendimiento teórico que debería tener en estas condiciones. Además, usando varios sensores ya disponibles en el circuito interno de la bomba de calor, intenta diagnosticar qué tipo de fallo ha podido ocurrir, según las variaciones observadas en cada medición. Un diagnóstico preciso permite mejorar las tareas de mantenimiento, anticipando potenciales reparaciones y aportando información al personal técnico como la necesidad de piezas u otros elementos.
En cuanto al control predictivo, los resultados de pruebas en laboratorio mostraron una reducción de los costes energéticos anuales de un 10% para la bomba de calor dual. Se realizaron tres series de pruebas representando diferentes estaciones del año en un clima mediterráneo. Estas pruebas se repitieron dos veces: la primera con una estrategia de control estándar, tal como puede existir en un sistema actual, para tener como punto de referencia, y la segunda vez con el algoritmo de control predictivo. Así se pudo extrapolar a los beneficios esperados en un año entero, comparando los resultados obtenidos con las dos estrategias de control diferentes.
Respecto a la detección y el diagnostico de fallos, una bajada del rendimiento de tan solo el 7% pudo ser detectada y señalizada al usuario, para que tomara medidas de reparación o mantenimiento adecuadas. Asimismo, diferentes tipos de fallos fueron emulados en laboratorio, como una fuga de refrigerante o una obstrucción del intercambiador de calor con el aire. Todos los fallos, menos uno, pudieron ser diagnosticados con exactitud.
Aportación de Tecnalia
La bomba de calor de R290 cuenta con un innovador intercambiador dual DSHX (Dual Source/Sink Heat eXchanger) especialmente diseñado para actuar como evaporador en modo calefacción y como condensador en modo refrigeración combinando diferentes fuentes o sumideros de calor.
Tecnalia llevó a cabo la validación experimental de dos prototipos de bombas de calor duales DSHP con sus respectivos DSHX, funcionando como evaporador/condensador según el modo de trabajo calefacción/ refrigeración.
Asimismo, se realizó un sistema de control para que la bomba de calor decida la fuente o sumidero de calor que maximice el rendimiento de la instalación.
Conclusiones
El proyecto TRI-HP permitió el desarrollo de dos sistemas innovadores de bombas de calor, aptos para proporcionar calefacción, frío y agua caliente sanitaria con energía mayoritariamente renovable a edificios plurifamiliares. Estos prototipos de bombas de calor usan refrigerantes naturales, menos dañinos para el medio ambiente. Además de ser sistemas muy eficientes de por sí, el uso de algoritmos avanzados de control y monitoreo permiten operarlos de manera aún más optimizada, consiguiendo ahorros adicionales en la factura energética. Las bombas de calor, sus sistemas adyacentes, así como las estrategias de control fueron testeados en laboratorio y con simulaciones, corroborando sus beneficios y su rendimiento en condiciones realistas, obteniendo resultados prometedores para este tipo de sistemas en el futuro.
El proyecto TRI-HP permitió el desarrollo de dos sistemas innovadores de bombas de calor, aptos para proporcionar calefacción, frío y agua caliente sanitaria con energía mayoritariamente renovable a edificios plurifamiliares.
