Los sistemas de trigeneración desarrollados durante el proyecto TRI-HP permiten proporcionar calefacción, refrigeración y electricidad a edificios residenciales multifamiliares con una participación renovable in situ del 80% con el objetivo de reducir los costos de instalación en un 10-15%. El proyecto comenzó en marzo de 2019 y finalizó en febrero de 2023. La UE ha contribuido en este proyecto con 4.993.080 euros. Los resultados muestran que se puede lograr al menos un 10% de ahorro de costos en la operación del sistema durante un año típico en un clima español.
Participaron un total de 12 socios del proyecto de universidades, institutos de investigación, industria y pymes de Suiza, Alemania, Dinamarca, Suecia, Noruega, Bélgica y España. TRI-HP está coordinado por el Instituto SPF de Tecnología Solar de la Universidad HSR de Ciencias Aplicadas en Rapperswil, Suiza.
Se probaron tres sistemas de bomba de calor dentro del proyecto, dos sistemas de suspensión de hielo solar basados en refrigerantes naturales con almacenamiento intermedio y un sistema de sumidero de fuente dual que utiliza una bomba de calor de propano reversible para proporcionar calefacción y refrigeración.
Estos sistemas de bomba de calor accionados eléctricamente se basan en refrigerantes naturales que tienen un potencial de calentamiento global más bajo en comparación con la mayoría de las bombas de calor convencionales que están disponibles en el mercado hoy en día y dependen de gases F sintéticos altamente contaminantes como refrigerantes.
Objetivo del proyecto TRI-HP
TRI-HP buscó desarrollar un sistema de bomba de calor que ofreciera lo mejor de las tecnologías actualmente disponibles a un menor costo. Uno es un sistema de fuente dual, que utiliza el calor de un pozo y del aire. El segundo sistema utiliza el calor del sol a través de los llamados colectores solares térmicos. Los sistemas de trigeneración utilizan bombas de calor con refrigerantes naturales y una amplia gama de fuentes renovables. Los sistemas TRI-HP reducirán la demanda de energía primaria para electricidad, calefacción y refrigeración en alrededor de un 73% en comparación con los sistemas que utilizan calderas de gas, enfriadores de aire y electricidad comprada en la red. Una de las fuerzas motrices de TRI-HP es la reducción de costes a nivel de sistema.
La posibilidad de poder utilizar varias fuentes de calor renovables hace que aumente la cuota de mercado de los sistemas basados en bombas de calor en Europa. Para los propietarios de edificios, TRI-HP plantea una nueva opción para reemplazar los sistemas de calefacción y refrigeración intensivos en carbono por otros más nuevos para adaptar sus edificios a las cambiantes condiciones del marco político y regulatorio.
TRI-HP también está en línea con las expectativas de los residentes que consideran las bombas de calor solar y subterráneas para calefacción y refrigeración como opciones atractivas para reducir su huella de carbono personal.
La mayoría de las bombas de calor disponibles en el mercado utilizan refrigerantes sintéticos que estarán prohibidos en un futuro próximo. El reglamento europeo de gases fluorados actualmente regula el uso de refrigerantes de hidrofluorocarbonos (HFC) debido a su alto GWP. Por lo tanto, es urgente la implementación de refrigerantes naturales. Las bombas de calor desarrolladas en TRI-HP se basan en refrigerantes naturales con muy bajo GWP, es decir, CO2 y propano.
Tecnologías que desarrolla TRI-HP
TRI-HP ha desarrollado recubrimientos antihielos, intercambiadores de calor, ciclos de refrigeración con bomba de calor basados en refrigerantes naturales y sistemas completos con controles avanzados. Además de eso, los estudios sociales se han utilizado para comprender las barreras sociales y aumentar la aceptación.
En cuanto a los materiales repelentes al hielo, TRI-HP aplicó dos estrategias diferentes para incrementar el éxito en este desarrollo, por un lado, los recubrimientos degradados contienen un aditivo reactivo de perfluoroalquilo o silicona que se fusiona con la superficie al curar para proporcionar una superficie hidrofóbica nanométricamente delgada en una película de recubrimiento que de otro modo no sería hidrofóbica.
Por otro lado, materiales como fluoropolímeros o polímeros a base de silicona. Los recubrimientos intrínsecamente hidrofóbicos formados por fluoropolímeros proporcionan un mayor espesor de recubrimiento en comparación con los recubrimientos sol-gel. Un alto espesor de recubrimiento mejora la durabilidad, pero por otro lado reduce la transferencia de calor.
Las bombas de calor desarrolladas en TRI-HP se basan en refrigerantes naturales con un Potencial de Calentamiento Global (GWP) muy bajo y un Potencial de Agotamiento del Ozono (ODP) cero, namley CO2 y propano. Estos refrigerantes naturales son necesarios para cubrir de manera eficiente los diferentes tipos de calefacción de espacios y demandas de agua caliente sanitaria en Europa, lo que hace posible la eliminación gradual de los refrigerantes de hidrofluorocarbonos (HFC).
El sistema dual fuente/sumidero permite utilizar la tierra y el aire como fuentes o sumideros de calor beneficiándose de la mejor fuente en cualquier momento del día. El sistema solar ice-slurry es un caso particular de los sistemas solar-ice que se basan en el uso de colectores solares térmicos como única fuente para la bomba de calor.
Los sistemas TRI-HP se basan en bombas de calor de refrigerante natural accionadas eléctricamente junto con energía fotovoltaica para proporcionar calefacción, refrigeración y electricidad a edificios residenciales multifamiliares nuevos y renovados con una participación renovable en el sitio del 80%. La flexibilidad se logra al permitir el uso de tres fuentes de calor, solar, suelo y aire.
Las configuraciones de laboratorio en SPF-HSR e IREC se utilizan para validar los sistemas utilizando una prueba de ciclo conciso acelerado (CCT).
Dentro de TRI-HP se desarrollan tres tipos de intercambiadores de calor avanzados para ser aplicados en las bombas de calor. Los intercambiadores de calor utilizados como superenfriadores se construyen utilizando revestimientos antihielo y materiales a granel para lograr una superficie siempre libre de hielo. El contenido de calor latente del agua sobreenfriada se libera mediante la nucleación de partículas de hielo en el almacenamiento de hielo en forma de lodos de hielo sin necesidad de ningún intercambiador de calor adicional.
Un enfriador de gas tripartito es un intercambiador de calor dividido en tres secciones, lo que permite beneficiarse de diferentes niveles de temperatura de fuentes de calor o sumideros. La última sección del gas-cooler precalienta el agua caliente sanitaria (ACS) y la primera sección se utiliza para recalentarla a 60 °C. Se ha utilizado también un intercambiador de calor dual tierra/aire con intercambio directo entre refrigerante y fluidos de transferencia de calor glicol/aire.
Los sistemas TRI-HP incluyen controles avanzados, gestión de electricidad, calor y frío de una manera que optimizan el rendimiento del sistema y aumentan su confiabilidad a través de la autodetección de fallas. El sistema de gestión avanzada de energía (AEM) se basa en el desarrollo de un modelo de control predictivo (MPC) que genera un ahorro de energía del orden del 15-20% en los casos en que las bombas de calor están integradas en una red inteligente. Esto permite activar la flexibilidad energética y optimizar el funcionamiento de la bomba de calor.
Con el fin de mantener niveles aceptables de eficiencia energética durante la vida útil del sistema, se desarrollaron métodos de autodiagnóstico de desviación de eficiencia basados en algoritmos de aprendizaje que puedan detectar una desviación del rendimiento óptimo del sistema como resultado de fallas mecánicas que comúnmente se pasan por alto. Esto mejora la eficiencia del sistema en al menos un 1,5% por año.
En TRI-HP, también han investigado los intereses y necesidades de los usuarios finales, los instaladores y el personal de mantenimiento, así como las barreras regulatorias, de seguridad y de mercado potenciales hacia los sistemas de trigeneración desde una etapa temprana del desarrollo tecnológico.