Introducción
Las bombas de calor se están expandiendo rápidamente como un medio eficaz para prevenir el calentamiento global y promover la neutralidad de carbono, al ser equipos de calefacción que pueden reemplazar a los sistemas de combustión de combustibles fósiles. Si bien la eficiencia de las bombas de calor ha mejorado, su ritmo de crecimiento se ha ralentizado. Para mejorar aún más su eficiencia, el uso de sistemas eficientes de transferencia y almacenamiento de calor, además de optimizar la eficiencia del propio equipo, permite obtener refrigeración, calefacción y agua caliente sanitaria de forma eficiente, con la cantidad y el caudal necesarios.
Ventajas del almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor consiste en almacenar energía térmica, y se puede decir que el suelo y las superficies acuáticas son materiales de almacenamiento de calor de gran capacidad, ya que almacenan energía solar y atmosférica. El almacenamiento de calor presenta numerosas ventajas, entre las que se incluyen las siguientes.
Se puede reducir la capacidad del equipo de la fuente de calor, y es posible compensar el desequilibrio temporal del uso del calor, gracias al uso de una gran cantidad de calor, que se almacena con una capacidad pequeña, en el momento de máxima demanda.
El consumo eléctrico puede nivelarse entre el día y la noche gracias al almacenamiento de calor mediante el uso de electricidad por la noche, cuando el consumo eléctrico es bajo, y al uso de ese calor durante el funcionamiento diurno para reducir el consumo eléctrico.
Se puede lograr un funcionamiento eficiente gracias al aprovechamiento de la diferencia de temperatura entre el día y la noche, así como al almacenamiento de calor. Por ejemplo, en verano, cuando la temperatura nocturna es más baja que durante el día, el calor del hielo se almacena eficientemente y luego se utiliza para la refrigeración durante el día, reduciendo así la temperatura de condensación y, por ende, el funcionamiento eficiente.
El confort puede mejorarse gracias a la instalación de un acumulador térmico en la unidad exterior de la bomba de calor. Por ejemplo, el calor puede utilizarse para evitar que la temperatura ambiente descienda durante la calefacción debido a las operaciones de descongelación, y para expulsar rápidamente el aire caliente al iniciar el funcionamiento de la calefacción.
El uso de energías renovables como la solar, la geotérmica y el calor residual de las fábricas es cada vez más fácil gracias al uso del almacenamiento de calor.
Tipos de almacenamiento de calor
Existen diversos métodos de almacenamiento de calor.
El almacenamiento de calor sensible es un método que aprovecha las variaciones de temperatura en líquidos como el agua y sólidos como el ladrillo y el hormigón, y su uso está muy extendido. Por ejemplo, el almacenamiento de calor sensible con agua se utiliza en bombas de calor aire-agua (ATW) para la calefacción de agua y espacios. En el caso de los edificios de hormigón, donde se emplea este método, se utilizan techos, suelos, paredes, etc., como materiales de almacenamiento de calor. Dado que el almacenamiento de calor sensible tiene una densidad de almacenamiento de calor relativamente baja, la cantidad de calor almacenado se incrementa aumentando la diferencia de temperatura del material.
El almacenamiento de calor por cambio de fase, o almacenamiento de calor latente, es un método para almacenar calor mediante la energía térmica disipada o absorbida cuando una sustancia cambia de estado (sólido o líquido), y presenta una densidad de almacenamiento de calor mayor que el almacenamiento de calor sensible. Un ejemplo de su uso son los sistemas de aire acondicionado con almacenamiento térmico, que aprovechan el calor latente generado por el cambio de fase del agua y el hielo. Otro ejemplo son los equipos de calefacción que utilizan parafina, con su alto contenido de calor latente, como material de almacenamiento térmico para mejorar su rendimiento. Además, los polímeros funcionales de almacenamiento de calor por cambio de fase, resinas con propiedades de almacenamiento de calor, se utilizan como materiales aislantes para la calefacción por suelo radiante en viviendas.
El almacenamiento químico de calor es un método para almacenar y disipar el calor generado por una reacción química que se produce al entrar en contacto el medio de reacción con el material de almacenamiento de calor. Si el medio de reacción y el material de almacenamiento de calor se mantienen separados, el estado de almacenamiento de calor puede conservarse durante un largo periodo. Sin embargo, dado que la temperatura de reacción para generar calor supera los 200 °C, se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos (I+D) sobre el aprovechamiento del calor residual de alta temperatura en las fábricas.
Sistemas que utilizan almacenamiento de calor
Los sistemas que utilizan el almacenamiento de calor se presentan en diversas formas y métodos, como las bombas de calor ATW para el calentamiento de agua y la calefacción, los sistemas de almacenamiento térmico de hielo y los sistemas de climatización con almacenamiento térmico en la estructura de los edificios. También se está trabajando activamente en el desarrollo de sistemas de aprovechamiento del almacenamiento de calor combinados con el uso de energía solar, geotérmica, energía de los gases de escape de las fábricas, etc., y se han presentado numerosos sistemas nuevos de almacenamiento de calor.
Problemas de almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor tiene muchas ventajas, pero también presenta desafíos. El primero es la pérdida de calor. El segundo es la diferencia en la temperatura de intercambio de calor entre los periodos de almacenamiento y extracción, necesaria pero que reduce la eficiencia. El tercero es la necesidad de equipos, espacios, etc., para el almacenamiento de calor, como tanques y depósitos. Es importante abordar estos desafíos para que el almacenamiento de calor sea más fácil de usar y más eficaz.
Por ejemplo, para reducir la pérdida de calor mencionada como primer problema, es importante aislar el depósito de almacenamiento térmico. Por ello, se han desarrollado diversos materiales aislantes térmicos como la lana de roca, la lana de vidrio, la espuma de polietileno, la espuma de uretano y el aislamiento al vacío. Estos materiales aislantes deben poseer resistencia al calor y a la humedad, durabilidad, etc., además de un buen aislamiento térmico. Entre ellos, el aislamiento al vacío se considera un material ideal y se utiliza en depósitos de agua caliente, depósitos de almacenamiento térmico y viviendas, ya que se fabrica cada vez más delgado y económico. El aislamiento térmico de viviendas y edificios también es un aspecto importante relacionado con la carga térmica de los sistemas de aire acondicionado.
Conclusión
La sociedad moderna consume una gran cantidad de energía, y el consiguiente aumento del calor residual está provocando el calentamiento global. Como contramedida, es fundamental desarrollar un sistema que aproveche la energía térmica residual generada, mejorando a la vez la eficiencia energética y reduciendo el consumo de energía. Las bombas de calor y el almacenamiento térmico son tecnologías que permiten alcanzar estos objetivos, y se prevé que continúe la investigación y el desarrollo en este campo.
Entre los aspectos clave para el desarrollo se encuentran la rápida transferencia de calor durante el almacenamiento térmico en un contenedor y la disipación del calor con mínimas pérdidas, así como una mayor densidad térmica del almacenamiento. Si se logra desarrollar un sistema de almacenamiento térmico compacto, de gran capacidad y bajo costo, sus aplicaciones se expandirán considerablemente. Si se implementan bombas de calor que utilicen estos sistemas de almacenamiento térmico mejorados, podrían crearse nuevos sistemas, tal como se han creado vehículos eléctricos y drones con baterías de alta densidad.
Fecha de publicación: 28 de junio de 2023
