Pregunta: PROBLEMA 1: (40%) Como consultor de ingeniería, un fabricante de calentadores de agua con bomba de calor le solicita que evalúe la potenciales de dicho calentador de agua para el mercado inmobiliario del sur de Ontario en términos económicos y de efecto invernadero reduccion de emisiones. Calentador de agua con bomba de calor (HPWH), similar al (AO Smith)

PROBLEMA 1: (40%)

Como consultor de ingeniería, un fabricante de calentadores de agua con bomba de calor le solicita que evalúe la

potenciales de dicho calentador de agua para el mercado inmobiliario del sur de Ontario en términos económicos y de efecto invernadero

reduccion de emisiones. Calentador de agua con bomba de calor (HPWH), similar al (AO Smith) que tenemos en el TRCA

Archetype Sustainable House (ASH), extrae energía del aire interior para producir agua caliente. El HPWH tiene

un COP de 2,5 y 3,0 para funcionamiento en invierno y verano cuando la casa se mantiene a 20 ÆC con calefacción y 24 ÆC

con refrigeración para la temporada de calefacción y refrigeración, respectivamente. Para minimizar la tarifa de consultoría inicial, el

el fabricante está interesado en el impacto potencial de tal HPWH para la operación en la temporada típica de calefacción de invierno

(del 1 de noviembre al 30 de abril, 181 días), temporada de verano (mayo a octubre, 184 días) y todo el año

para el área metropolitana de Toronto (GTA). El análisis se llevará a cabo para tres tipos de casas diferentes:

1) Casa 1: casa de calefacción totalmente eléctrica con bomba de calor de fuente de aire eléctrica (ASHP) para calefacción (COP estacional

= 3) y refrigeración (COP estacional = 5) y acumulador de agua caliente sanitaria (ACS) eléctrico (con factor de energía

(FE) de 0,93)

2) Casa 2: casa de calefacción de gas natural (GN) con horno de GN (eficiencia anual de utilización de combustible del 90 %),

Calentador de ACS GN (con EF de 0,67), y aire acondicionado central eléctrico (con COP estacional de 5)

3) Casa 3: calefacción combinada de gas natural y electricidad con horno de gas natural (eficiencia anual de utilización de combustible

del 90%), depósito de ACS eléctrico (con factor de energía (EF) de 0,93), y aire acondicionado central eléctrico

(A/C) (con COP estacional de 5)

Para simplificar, puede suponer lo siguiente:

1) Temperatura de consigna del agua caliente de 55 ºC

2) La temperatura del suministro de agua fría de la ciudad al calentador de agua es de 10 ÆC y 15 ÆC para el invierno (temporada de calefacción)

y verano (temporada de enfriamiento), respectivamente.

3) Precio del gas natural de $0,50/m3, factor de emisión de 1,888 kg/m3, HHV de 38,5 MJ/m3

4) Precio de la electricidad de $0,18/kWh, factor de emisión de 40 g de GEI/kWh

5) Demanda de agua caliente de 240 L/día a 55 ºC

6) El calor específico del agua es 4,18 kJ/kg-K

Dibuje los esquemas apropiados (que incluyan la casa, el calentador de ACS, el horno, el ASHP y el aire acondicionado central; energía

fluye cuando y donde sea apropiado) para resaltar los sistemas para cada una de las tres casas para facilitar la

Derivación de ecuaciones de balance de energía. Debe mostrar la formulación detallada y luego aplicar las fórmulas en

el Excel para que pueda cambiar muchos de los parámetros (como los precios de la energía, los factores de emisión de GEI,

eficiencias de los equipos, necesidades diarias de ACS, temperatura del agua de entrada y salida del calentador de ACS, etc.). Para

cada tipo de las tres casas, estimar la energía relacionada con la producción de agua caliente (electricidad en kWh y GN en m3),

costo de energía ($) y emisión de GEI (kg), costo de energía y reducción de emisiones de GEI (%) para 1) temporada de calefacción, 2)

temporada de enfriamiento, y 3) todo el año. Los resultados deben presentarse en forma de tabla. Lo mejor es que presentes el original.

tres (3) resultados de caso base de consumo de energía y costo de energía asociado y emisión de GEI del agua

calentador primero. Al final, comente sus hallazgos y sugerencias para el fabricante. Si tienes tiempo,

juegue con diferentes parámetros para imitar diferentes escenarios y luego hágame saber qué sucede.

Por ejemplo, si usamos ASHP (COP de 3) para calentar nuestra casa y usamos HPWH (COP de 2.5) para producir agua caliente

entonces, ¿cuál es el COP total de la HPWH en la producción de agua caliente? Este caso se puede considerar como un caso de dos etapas.

sistema de bomba de calor para producir agua caliente donde el ASHP se considera como la etapa de baja temperatura (o baja presión)

y HPWH se considera como la etapa de alta temperatura (o alta presión). La temperatura inmediata entre el

dos etapas es la temperatura del aire ambiente.

Sugerencia: HPWH enfriará la casa durante todo el año para producir agua caliente. Por lo tanto, aumentará el espacio

demanda de calefacción durante la temporada de calefacción en invierno. Sin embargo, HPWH disminuirá la demanda de refrigeración de espacios.

ME 8114 Gestión Energética noviembre, 2022

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durante la temporada de enfriamiento en verano. Deberá suponer que todo el efecto de enfriamiento debido al HPWH será

contribuyó con el equipo de calefacción de espacios en invierno mientras se reduce la demanda de equipos de enfriamiento de espacios en

verano. Muchos pueden requerir una revisión rápida de Termodinámica básica de segundo año sobre el tema de

Balance energético de bombas de calor. (Por ejemplo, QC + W = QH y COPH = QH/W y COPC = QC/W; donde Qc =

transferencia de calor del depósito frío, QH = transferencia de calor al depósito caliente, W = trabajo de la bomba de calor y COPH o COPC

= coeficiente de rendimiento para calefacción o refrigeración) Puede ignorar la pérdida de calor superficial de los depósitos de agua caliente para

el aire ambiente debido al mismo tamaño del tanque y temperatura del agua caliente para todos los casos. No necesitas encontrar el total.

demanda o consumo anual de energía de calefacción y refrigeración de espacios para realizar este análisis. Todo lo que necesitas es

para tener en cuenta la calefacción de espacios adicional y la reducción de la refrigeración de espacios en el análisis general de la HPWH

beneficios potenciales.