Potencial energético y ambiental de una bomba de calor para producción de vapor de agua usando refrigerantes naturales

Resumen

Este estudio presenta la evaluación del desempeño energético y ambiental de bombas de calor aire-agua que utilizan refrigerantes naturales (R600a/R744 y R600a/R290 en configuración en cascada, y R600a en configuración de una sola etapa), para la producción de vapor, bajo las condiciones climáticas de Bucaramanga. Se desarrollaron y simularon modelos termodinámicos para cada configuración, para una capacidad térmica de 60 kW, y se compararon con una caldera de vapor. En el rango de temperaturas ambientales analizado, todos los sistemas de bomba de calor demostraron un consumo de energía significativamente menor que la caldera. La configuración basada en R600a alcanzó el mejor desempeño, con un consumo total que disminuyó de 33.76 kW a 29.52 kW y un coeficiente de desempeño (COP) entre 2.0 y 2.3. El sistema en cascada R290+R600a presentó consumos de 36.6–32.2 kW con un COP de 1.9–2.1, la configuración R744+R600a consumió 41.3–36.2 kW, con valores de COP entre 1.6 y 1.8, mientras que la caldera consumió alrededor de 64-65 kW. En términos de demanda anual de energía en operación continua, la bomba de calor con R600a registró el menor consumo con 276 957.59 kWh/año, seguida del sistema en cascada R290+R600a con 304668.06 kWh/año, mientras que la caldera alcanzó 565000.25 kWh/año. La evaluación ambiental mostró el mayor TEWI para la caldera (1269.9 toneladas de CO₂ eq), debido a emisiones indirectas. Las bombas de calor registraron valores inferiores: 777.6 toneladas de CO₂ eq (R744+R600a), 684.8 toneladas de CO₂ eq (R290+R600a) y 622.5 toneladas de CO₂ eq (R600a), gracias a su alta eficiencia y al uso de refrigerantes de bajo GWP. Estos resultados confirman que las bombas de calor, cuando son diseñadas adecuadamente, constituyen una alternativa viable y más sostenible a los sistemas convencionales en aplicaciones de generación de vapor bajo las condiciones ambientales de la ciudad de Bucaramanga.