Caso práctico: cómo la estratificación de un tanque valoriza el calor residual y aumenta el rendimiento de una bomba de calor en la producción de calefacción.
Una bomba de calor que recupera el calor residual de un grupo frigorífico o de un proceso no produce necesariamente cuando se necesita calefacción. Entre ambos, un tanque de almacenamiento estratificado acumula la energía y la restituye a demanda. EOLIOS optimizó este tanque mediante simulación CFD para que la estratificación siga siendo nítida: es ella la que decide tanto el calor realmente disponible como el rendimiento (COP) de la bomba de calor.
Lo esencial. Para valorizar un calor que de otro modo se perdería, EOLIOS acopló una bomba de calor a un tanque y optimizó su estratificación con CFD transitoria. El objetivo: devolver a la bomba de calor un agua realmente fría para maximizar su COP, entregar agua caliente a temperatura estable del lado del uso y absorber el desfase entre producción y demanda. El tanque se afinó con compartimentación y deflectores para aprovechar todo el volumen útil.
En el tanque, el agua caliente, menos densa, permanece arriba; el agua fría, más densa, se deposita en el fondo. Durante la carga, la bomba de calor inyecta agua caliente arriba mientras el agua fría se extrae abajo; la restitución a la calefacción invierte estos flujos. Mientras las entradas y salidas no creen mezcla, las dos zonas permanecen separadas y el calor se restituye a la temperatura correcta.
La termoclina es la capa de transición entre el agua caliente arriba y el agua fría abajo. Su espesor mide la ineficiencia del tanque: cuanto más fina y estable es, mayor es el volumen realmente aprovechable.
El rendimiento de una bomba de calor depende directamente de la temperatura del agua que le retorna. Un tanque bien estratificado devuelve un agua realmente fría extraída del fondo: el salto de temperatura aprovechado crece y el COP sube, la máquina produce más calor con la misma electricidad. Al contrario, un tanque mal estratificado devuelve un agua tibia que degrada el rendimiento y multiplica los ciclos cortos del compresor. La estratificación es, por tanto, una palanca directa de eficiencia energética, igual que la flotabilidad que gobierna el efecto de acumulación térmica.
En la producción de calor, una bomba de calor es tanto más eficiente cuanto menor es el salto de temperatura que debe aportar. Al extraer el agua más fría del fondo de un tanque bien estratificado para calentarla, trabaja sobre un salto reducido: cada kilovatio-hora eléctrico produce más calor y el COP sube. La estratificación garantiza esa extracción al nivel adecuado y un agua caliente restituida a temperatura estable; cuidarla mejora directamente la eficiencia energética, sin cambiar la máquina.
La geometría del tanque y de su circuito se reconstruyó fielmente, y luego se modelizó mediante simulación CFD: el modelo resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes acopladas a los intercambios de calor para reproducir el comportamiento térmico e hidráulico real del tanque.
A diferencia de un estudio estacionario que solo describe un estado congelado, el análisis en régimen transitorio sigue la evolución de los campos de temperatura y velocidad segundo a segundo. Reproduce un ciclo completo de carga y restitución, allí donde los cálculos clásicos alcanzan sus límites.
Una malla híbrida de varios millones de elementos, refinada cerca de las tomas y en las interfaces entre masas de agua, revela las señales débiles, como el inicio de una mezcla que diluiría el calor almacenado.
La simulación cartografía la línea de estratificación y sigue su movimiento a lo largo de la carga y la restitución. Pone de relieve los mecanismos que merman el rendimiento: un caudal de entrada demasiado vivo que difunde el calor por toda la altura, cortocircuitos en los que el fluido corre de la entrada a la salida sin movilizar todo el volumen, y zonas muertas estancadas, capacidad de almacenamiento no utilizada.
El seguimiento de la temperatura de salida da la duración durante la cual el agua caliente permanece disponible a temperatura antes de decaer; en paralelo, la temperatura media del volumen indica el estado de carga del tanque en cada instante. Estas dos curvas dicen con precisión cuánta energía útil puede devolver el tanque y a qué ritmo debe recargar la bomba de calor.
El desfase es el intervalo temporal entre el momento en que el calor residual está disponible y aquel en que se consume. El tanque almacena durante ese intervalo; bien dimensionado, suaviza los picos y deja que la bomba de calor funcione a su mejor rendimiento.
Para maximizar la energía útil sin aumentar el volumen, el estudio probó varias palancas de arquitectura interna:
¿Horizontal o vertical? Un tanque vertical ofrece una estratificación naturalmente más estable; uno horizontal favorece el intercambio convectivo lateral y pierde algo de eficiencia. Este compromiso, cuantificado por la simulación, orienta la elección de implantación y el CAPEX. El modelo entregado sigue siendo un gemelo digital reutilizable para probar cualquier escenario futuro.
El calor residual es la energía térmica que libera un proceso sin ser su objetivo: condensadores de grupos frigoríficos, compresores, efluentes calientes o los servidores de un centro de datos. Al no coincidir con la necesidad de calefacción, suele perderse. Acoplado a una bomba de calor y a un tanque estratificado, en cambio se capta, se almacena a su temperatura adecuada y luego se restituye para la calefacción o el agua caliente sanitaria cuando hace falta.
Aquí el almacenamiento cambia de escala: de simple tampón pasa a ser un órgano de pilotaje energético. Recorta los picos, aprovecha las horas valle y alimenta una red de calor o un anillo de ACS colectiva sin mezclar nunca los niveles de temperatura útiles. La simulación en ingeniería HVAC permite ajustar finamente el tanque, la bomba de calor y el perfil de uso para maximizar el rendimiento global de la instalación.
Más allá del ahorro inmediato en la factura, esta combinación de almacenamiento y bomba de calor se inscribe en una lógica de descarbonización: cada kilovatio-hora de calor residual reinyectado sustituye otro tanto de energía primaria fósil. Cuando la normativa empuja a reducir consumos y emisiones del parque terciario e industrial, un tanque bien estratificado convierte un calor perdido en una palanca de desempeño ambiental medible, sin sobredimensionar los equipos.
Este estudio prolonga nuestro saber hacer sobre los circuitos de agua y el almacenamiento térmico: la misma física de estratificación sirve tanto para asegurar una refrigeración como para valorizar un calor residual para la calefacción.
Rendimiento de la bomba de calor, termoclina, valorización del calor residual y almacenamiento estratificado.
Un agua bien estratificada devuelve a la bomba de calor un agua realmente fría, extraída del fondo del tanque. El salto de temperatura aprovechado crece, el COP sube y la máquina produce más calor con la misma electricidad, como detalla nuestra experiencia en ingeniería HVAC.
Es el calor que libera un proceso sin ser su objetivo: grupos frigoríficos, compresores, efluentes, servidores. Almacenarlo en un tanque estratificado permite restituirlo para la calefacción o el agua caliente sanitaria cuando surge la necesidad, en lugar de disiparlo.
Es el intervalo entre el momento en que el calor residual está disponible y aquel en que se consume. El tanque absorbe ese intervalo: acumula la energía, suaviza los picos y deja que la bomba de calor funcione en su mejor punto de rendimiento.
Casi cualquier calor liberado de forma continua: condensadores de grupos frigoríficos, compresores, efluentes calientes, servidores de centros de datos, hornos y procesos industriales. En cuanto una fuente está disponible a un nivel de temperatura aprovechable, un tanque estratificado con bomba de calor puede almacenarla y restituirla después.
Sí: cada kilovatio-hora de calor residual reinyectado sustituye otro tanto de energía primaria fósil. Al suavizar los picos y recortar el consumo de punta, el almacenamiento estratificado reduce emisiones y factura, una palanca de desempeño ambiental medible.
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La termoclina apila el agua por densidad: decide cuánto calor está realmente disponible y el rendimiento de la bomba de calor. En régimen transitorio, la simulación sigue el frente térmico a lo largo de los ciclos de carga y restitución, prueba las palancas de arquitectura interna, de la compartimentación a los deflectores, y muestra cómo un almacenamiento bien estratificado valoriza el calor residual. A continuación, la síntesis en vídeo del estudio.
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