Las bombas de calor representan una tecnología renovable con un gran potencial para su aplicación en avicultura, debido a su capacidad para aumentar la resiliencia de las instalaciones frente a las cada vez más frecuentes olas de calor.
Este potencial se debe a que, además de proporcionar calefacción, también pueden ofrecer refrigeración mecánica, una función clave para garantizar el bienestar de las aves en condiciones climáticas extremas.
Una bomba de calor es una máquina térmica capaz de transferir calor desde una fuente a baja temperatura hacia otra a mayor temperatura, mediante un ciclo de refrigeración que, generalmente, se basa en el trabajo mecánico de un compresor.
Gracias a este principio, también es posible aprovechar el calor del ambiente exterior, contenido en el aire (aerotermia) o en el suelo (geotermia), como fuente térmica para calefactar el interior de la nave, lo que convierte a la bomba de calor en una tecnología basada en energías renovables.
A pesar de estas ventajas, el uso de bombas de calor en el sector avícola, y ganadero en general, sigue siendo muy limitado y existe una escasez de información sobre su rendimiento real, así como sobre su integración con sistemas fotovoltaicos.Con el objetivo de contribuir al desarrollo de soluciones energéticas más sostenibles para la ganadería, en el marco del proyecto Horizon 2020 RES4LIVE [3] se ha desarrollado la experimentación, que se describe a continuación, centrada en el análisis del rendimiento conjunto de un sistema de bomba de calor y paneles fotovoltaicos en un caso de estudio real.
El caso de estudio experimental
La experimentación se llevó a cabo en la nave experimental de gallinas ponedoras de la Universidad de Agricultura de Atenas (Grecia), un pequeño espacio cerrado de 45 m² con jaulas enriquecidas, donde se alojan aproximadamente 330 gallinas ponedoras.
El sistema de climatización se basa en una bomba de calor aerotérmica con potencia frigorífica nominal de 10 kW, que está equipada de un compresor de tornillo controlado por un variador de frecuencia, dos intercambiadores de calor y un dry-cooler para disipar el calor residual.
Figura 1: Fotos del caso de estudio experimental: a) vista exterior del caso de estudio con la unidad principal de la bomba de calor (derecha) y el dry-cooler (izquierda); b) detalle de la unidad principal de la bomba de calor con el compresor y el intercambiador de calor; c) interior del caso de estudio con conductos para la entrada (beige) y salida (plateado) del aire.
Los componentes principales del sistema se ilustran en la Figura 1. El sistema incluye también dos ventiladores, uno para la impulsión del aire desde la bomba de calor al interior de la nave y otro para expulsar el aire desde el interior hacia el exterior.
La nave cuenta también con un sistema fotovoltaico de 9 kW de potencia pico, configurado para autoconsumo y vertido del excedente a red.
Para el análisis, el caso de estudio se instrumentó con sensores para el seguimiento del funcionamiento de la bomba de calor, las condiciones ambientales internas y el consumo energético.
Los resultados se presentan a continuación para un mes de verano y uno de invierno de 2023. Una panorámica más detallada sobre los resultados y la actividad llevada a cabo se puede encontrar en una publicación científica relacionada a esta actividad experimental.
El impacto de la bomba de calor en las condiciones climáticas interiores
A pesar de que el verano de 2023 fue uno de los más calurosos de los últimos años en Grecia, la bomba de calor reguló eficazmente la temperatura interior (ti ).La Figura 2 muestra los resultados correspondientes al período del 20 al 30 de julio de 2023. El sistema se programó para mantener la ti dentro de una banda de regulación de 25±2 °C (área verde en la figura), activándose en modo refrigeración al superar los 27 °C y desactivándose al descender por debajo de 23 °C.
Como se observa en la gráfica, la bomba de calor mantuvo la ti en la banda de regulación durante la mayor parte del periodo. Incluso durante las olas de calor, con temperaturas exteriores (te ) de hasta 46 °C, la t i no superó los 30 °C, gracias a la operación prácticamente continua de la bomba de calor.
La eficiencia energética de la bomba de calor se mide a través del coeficiente de rendimiento (COP), que mide la relación entre la energía térmica transferida (en este caso desde el interior de la nave hacia el exterior, para enfriar el ambiente interior) y la energía eléctrica consumida.
Durante el periodo analizado, la bomba de calor operó de manera bastante energéticamente eficiente, puesto que el COP mantuvo un valor medio de 2.42 durante el periodo analizado.
Figura 2:Evolución de la temperatura interior, exterior y del coeficiente de rendimiento (COP) para refrigeración de la bomba de calor entre el 20 y 30 de julio de 2023.
Figura 3: Evolución de la temperatura interior, exterior y del coeficiente de rendimiento (COP) para calefacción de la bomba de calor entre el 10 y 20 de diciembre de 2023.
Durante diciembre, la bomba de calor operó en modo calefacción dentro de una banda de regulación de 19,5 ± 1,5 °C, logrando mantener eficazmente la ti en la banda, incluso cuando la te descendió hasta los 3 °C.
Sin embargo, se observaron fluctuaciones en la ti , visibles en la Figura 3, provocadas por el funcionamiento intermitente del sistema: cuando la bomba de calor se activa (ti = 18 °C), la t i sube rápidamente hasta el límite superior de la banda (21 °C), momento en que la bomba de calor se desactiva. Dados los bajos valores de te , la ti volvía a descender por debajo de los 18 °C, reactivando la bomba de calor.
El sistema permitió mantener también una buena calidad del aire interior, con concentraciones de CO₂ por debajo de los 1.500 ppm.
No obstante, a nivel cualitativo se observó una elevada acumulación de polvo.
Aunque se trate de una problemática habitual en instalaciones avícolas, en este caso parece más evidente por la configuración de las entradas y salidas de aire, que dificulta una adecuada expulsión del material particulado.
La bomba de calor operó de manera muy eficiente desde un punto de vista energético, puesto que su rendimiento (COP) para calefacción tuvo un valor medio de 3,65 durante el período analizado.
Análisis del consumo energético de la bomba de calor y su integración con energía fotovoltaica
Como visto anteriormente, la bomba de calor se demostró una solución efectiva para mantener temperaturas interiores adecuadas en verano e invierno.
Sin embargo, su principal problema es el elevado consumo energético: el sistema consumió 4.032 kWh de energía eléctrica durante el mes de verano analizado y 2.390 kWh durante el mes de invierno, como reportado en la Tabla 1.
Estos valores evidencian la necesidad de integrar la bomba de calor con el sistema fotovoltaico instalado, cuya producción para ambos periodos se resume en la Tabla 1.
La integración se evaluó mediante las métricas de autosuficiencia energética y el autoconsumo.
- La autosuficiencia indica el porcentaje de las necesidades energéticas de la nave avícola que es cubierto por la generación in situ.
- El autoconsumo indica el porcentaje de energía fotovoltaica que es usada directamente in situ y no vertida a la red.
Un sistema eficiente desde un punto de vista energético tendría que caracterizarse por una elevada autosuficiencia y un elevado autoconsumo. En ambos períodos, la autosuficiencia del sistema analizado fue alrededor del 20%. El autoconsumo fue mayor en verano, puesto que casi toda la energía fotovoltaica se usó para cubrir la demanda energética de refrigeración.
En invierno, el menor consumo llevó a exportar parte de la energía fotovoltaica a la red, reduciendo el autoconsumo al 86 %.
Los datos de autosuficiencia y autoconsumo presentados en la Tabla 1 sugerirían la posibilidad de incrementar la potencia pico instalada. Esto se debe al hecho que el sistema puede incrementar su autosuficiencia que, actualmente, es relativamente baja y tiene margen para mantener un autoconsumo elevado, puesto que actualmente está muy cerca del 100%, sobre todo en el periodo estivo.
Sin embargo, el aumento de la potencia pico instalada es una opción que requiere un análisis cuidadoso, debido a posibles desfases entre la demanda energética y la disponibilidad de energía solar.
En la Figura 4 se muestran las tendencias de consumo eléctrico y generación fotovoltaica para una semana de verano y una de invierno.
En verano, la demanda energética es elevada (alrededor de 6 kW) y constante día y noche por la continua activación del compresor de la bomba de calor. En invierno, la demanda suele ser menor (alrededor de 3 kW), pero con picos de hasta 8 kW por la tarde.
En consecuencia, un aumento de la potencia pico del sistema podría mejorar la autosuficiencia en ambos periodos, manteniendo elevado el autoconsumo.
No obstante, el desfase entre oferta y demanda en invierno y la carga nocturna constante en verano, sugieren evaluar la conveniencia de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica para cubrir el desfase entre demanda y la disponibilidad energética.
Figura 4: Consumo de potencia eléctrica y generación de potencia de fotovoltaico durante una semana indicativa en verano (a) e invierno (b).
Una alternativa prometedora para mejorar el sistema, con potencial para nuevas investigaciones Y oportunidades comerciales, es la implementación de un enfoque híbrido.
Este consiste en alternar la refrigeración mecánica mediante bomba de calor con la ventilación mecánica, aprovechando el aire exterior durante la noche o en períodos de menor demanda de refrigeración.
Esta estrategia ofrece una doble ventaja.
- En primer lugar, permite que la bomba de calor opere principalmente en las horas pico de demanda de refrigeración, que coinciden con los picos de radiación solar, lo que facilita cubrir gran parte de la carga de refrigeración con energía fotovoltaica.
- En segundo lugar, al emplear ventilación mecánica en las horas nocturnas, se reduce el consumo energético y minimiza el desfase entre generación y demanda energética.
Además, el sistema resulta específicamente adecuado para naves donde, por razones de bioseguridad, se requiere minimizar el caudal de ventilación en entrada se emplean sistemas de filtración, como ocurre en naves con elevado valor genético.
Conclusiones y futuros pasos
El sistema analizado se presenta como una solución prometedora para el sector avícola, al ofrecer un control climático eficaz incluso durante olas de calor y una elevada eficiencia energética.
A diferencia de los sistemas convencionales, como los paneles evaporativos, este sistema permite reducir la temperatura del aire interior sin incrementar la humedad relativa.
Esta característica representa una ventaja adicional comparado con los sistemas convencionales, ya que no solo implica un ahorro significativo de agua potable, sino que también hace este sistema apto para climas húmedos, donde los sistemas de enfriamiento evaporativo resultan poco eficaces.
La principal desventaja actual del sistema analizado es el coste, puesto que requiere una inversión inicial considerable y puede suponer costes operativos y de mantenimientos relevantes.
En cuanto a los pasos futuros, las siguientes investigaciones apuntan a abordar varios aspectos claves antes de aplicar este sistema experimental a una granja comercial.
- En primer lugar, resulta necesario optimizar la potencia pico del sistema fotovoltaico, para reducir la dependencia de la red eléctrica.
- En segundo lugar, es fundamental analizar la configuración de las entradas y salidas de aire para minimizar la acumulación de polvo en el ambiente interior.
- Por último, será necesario profundizar el desarrollo del enfoque híbrido mencionado anteriormente, con el objetivo de reducir el consumo energético y mejorar la integración con la generación fotovoltaica.
Agradecimientos
Este estudio se desarrolló en el marco del proyecto RES4LIVE, que recibió financiación del Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, bajo el acuerdo de subvención nº 101000785. Andrea Costantino contó con el apoyo de la ayuda JDC2022-049782-I, financiada por el MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y por la Unión Europea a través de NextGenerationEU/PRTR.
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