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Bomba de calor

Bomba de calor: cómo funciona, tipos y ventajas

La bomba de calor es una máquina que utiliza la energía del aire, del suelo o del agua subterránea y la convierte en energía térmica. Descubre cómo funciona.

La bomba de calor, utilizando diversas formas de energía, extrae y transfiere energía térmica. Su elección depende de las características climáticas del lugar donde se instala, de las características tipológicas del edificio y de las condiciones de uso.

Analicemos en detalle qué es, cómo funciona, los tipos y ventajas.

¿Qué es una bomba de calor?

La bomba de calor es una máquina capaz de transferir calor, de un entorno a una temperatura más baja, a otro a una temperatura más alta. A menudo, se asocia la bomba de calor únicamente con la calefacción y la provisión de agua caliente sanitaria, pero en realidad, invirtiendo el ciclo, también garantiza la refrigeración de los espacios.

Bomba de calor: ¿Cómo funciona?

El principio de funcionamiento se basa en el fenómeno de la expansión Joule-Thomson de un refrigerante muy frío que vaporiza a bajas temperaturas. Este fluido, al realizar ciclos de compresión y expansión, permite que la bomba de calor transfiera calor al agua caliente sanitaria.

Para calentar el ambiente, la bomba de calor extrae el calor de una fuente natural (como el aire, el agua o el suelo), lo lleva a la temperatura deseada y lo transporta al interior del edificio, donde se irradiará en el ambiente a través de sistemas radiantes en el suelo o terminales como radiadores o fan coils.

En resumen, un funcionamiento similar, pero opuesto, al del refrigerador. Este último tiende a expulsar el calor del interior hacia el exterior, mientras que la bomba de calor lo captura desde el exterior y, después de llevarlo a temperatura, lo introduce en el interior. Para enfriar el ambiente, el calor se extrae del aire presente dentro del edificio y se expulsa, de manera completamente análoga al refrigerador.

Fuentes frías

El medio externo del cual se extrae calor se llama fuente fría. En la bomba de calor, el refrigerante absorbe calor de la fuente fría a través del evaporador.

Las principales fuentes frías son:

  • el aire exterior al lugar donde se instala la bomba de calor o extraído del lugar donde se instala la bomba de calor;
  • el agua subterránea, de ríos o lagos, cuando está presente cerca de los lugares a calentar y a poca profundidad.

Otras fuentes pueden estar constituidas por el agua acumulada en tanques y calentada por la radiación solar y por el suelo, en el cual se insertan las tuberías relacionadas con el evaporador.

Pozo caliente

El aire o el agua a calentar se llaman pozo caliente. En el condensador, el refrigerante cede al pozo caliente tanto el calor tomado de la fuente fría como la energía proporcionada por el compresor.

Componentes de una bomba de calor: ¿Cómo está hecha?

La bomba de calor consta de un circuito cerrado, recorrido por un fluido especial (refrigerante) que, según las condiciones de temperatura y presión en las que se encuentra, adopta el estado líquido o de vapor.

El circuito cerrado está formado por:

  • un compresor;
  • un condensador;
  • una válvula de expansión;
  • un evaporador.

El condensador y el evaporador están compuestos por intercambiadores de calor, es decir, tubos en contacto con un fluido de servicio (que puede ser agua o aire) por los cuales fluye el refrigerante.

Este cede calor al condensador y lo quita al evaporador. Los componentes del circuito pueden estar tanto agrupados en un solo bloque como divididos en dos partes (sistemas split) conectados por los tubos por los cuales circula el refrigerante.

En el funcionamiento, el refrigerante, dentro del circuito, experimenta diferentes transformaciones divididas en 4 fases. El conjunto de estas transformaciones constituye el ciclo de la bomba de calor: suministrando energía con el compresor, al refrigerante, este, en el evaporador, absorbe calor del entorno circundante y, a través del condensador, lo cede al medio a calentar.

Las 4 fases de transformación son las siguientes:

Fase 1 – compresión

El refrigerante en estado gaseoso y a baja presión, proveniente del evaporador, se lleva a alta presión; durante la compresión se calienta absorbiendo una cierta cantidad de calor.

Fase 2 – condensación

El refrigerante, proveniente del compresor, pasa del estado gaseoso al líquido cediendo calor al exterior.

Fase 3 – expansión

Al pasar por la válvula de expansión, el refrigerante líquido se transforma parcialmente en vapor y se enfría.

Fase 4 – evaporación

El refrigerante absorbe calor del exterior y se evapora completamente.

El conjunto de estas transformaciones constituye el ciclo de la bomba de calor: suministrando energía con el compresor, al refrigerante, este, en el evaporador, absorbe calor del entorno circundante y, a través del condensador, lo cede al medio a calentar.

Esquema de funcionamiento

A continuación, te presento un esquema que ilustra el funcionamiento de una bomba de calor. En la figura siguiente se representan los principales componentes.

Se parte de una fuente de calor (aire, tierra, agua), que mediante el evaporador proporciona calor al refrigerante que se evapora. Luego se pasa por el compresor que comprime el gas refrigerante aumentando su temperatura. Se llega al condensador en el cual los gases calientes ceden calor al agua del sistema de calefacción condensando. El líquido luego pasa por la válvula de expansión, donde se expande reduciendo su propia temperatura.

Esquema de bomba de calor

Esquema de una bomba de calor

Tipos de bombas de calor

Existen varios tipos de bombas de calor cuyo funcionamiento se basa en los mismos principios. Las bombas de calor se dividen, en primer lugar, en dos categorías principales:

  • bombas de calor monovalentes: independientes de otros generadores de calor;
  • bombas de calor bivalentes: que se integran con otros generadores de calor, especialmente adecuadas para áreas sujetas a un descenso significativo de las temperaturas.

En función del fluido con el que intercambian calor, las bombas de calor se pueden clasificar en 4 tipos principales, indicando primero la fuente fría (evaporador) y segundo el pozo caliente (condensador):

  • bomba de calor aire-agua: realiza tanto la función de calefacción como la de refrigeración. Funciona generando calor mediante el intercambio de calor con el aire exterior y utilizándolo en un ciclo para transferir calor de un fluido más frío a uno más cálido, es decir, el agua sanitaria o la del sistema de calefacción;
  • bomba de calor aire-aire: consta de al menos dos unidades (una de las cuales es externa) y equipadas con un split y un sistema de conductos de aire. Ejemplos de bombas de calor aire-aire son los aires acondicionados;
  • bomba de calor agua-agua: utiliza agua tanto como fuente fría como fuente caliente; en ambas circunstancias, el intercambio de calor ocurre en el evaporador y el condensador entre el refrigerante y el agua.
  • bomba de calor tierra-agua (geotérmica): calienta el agua utilizando el calor presente en el suelo, capturándolo a través de una sonda geotérmica. Este tipo de máquina tiene un alto ahorro energético, especialmente si se combina con sistemas de calefacción a baja temperatura. Sin embargo, requiere mucha atención en su mantenimiento.

Bomba de calor monobloque y dividida: diferencias

Para las bombas de calor aire-agua, se han desarrollado dos sistemas distintos: el sistema monobloque y el sistema dividido, dependiendo de dónde ocurra el intercambio de energía entre lo recuperado del aire exterior y el fluido que circula en el sistema de calefacción.

En el sistema dividido, la transferencia de energía ocurre en un intercambiador gas-agua colocado en una carcasa separada de la unidad externa que ha absorbido calor del aire. Este intercambiador suele colocarse dentro de la vivienda y está contenido en un módulo que se asemeja, en tamaño, a una caldera.

En el sistema monobloque, en cambio, el intercambiador está contenido en la unidad externa misma, creando un todo.

Por lo tanto, la diferencia principal entre los dos sistemas radica en que en la bomba de calor monobloque todos los componentes están agrupados juntos, mientras que en la dividida están distribuidos en dos unidades separadas, una interna y otra externa.

Bomba de calor monobloque y dividida

Bomba de calor monobloque y dividida

Eficiencia y rendimiento de una bomba de calor

Durante su funcionamiento, la bomba de calor:

  • consume energía eléctrica en el compresor;
  • absorbe calor en el evaporador, del entorno circundante, que puede ser aire o agua;
  • cede calor al medio a calentar en el condensador (aire o agua).

La ventaja en el uso de la bomba de calor radica en su capacidad para proporcionar más energía (calor) de la eléctrica utilizada para su funcionamiento, ya que extrae calor del ambiente exterior (aire-agua).

Las bombas de calor representan la solución ideal para reducir el consumo y las emisiones de CO2 y, por lo tanto, preservar el ecosistema de nuestro planeta. Son, por ejemplo, uno de los sistemas centrales e imprescindibles para los edificios NZEB. La eficiencia de una bomba de calor se mide mediante el COP (coeficiente de rendimiento), que es la relación entre energía proporcionada (calor cedido al medio a calentar) y energía eléctrica consumida.

El COP varía según el tipo de bomba de calor y las condiciones de funcionamiento y suele tener valores cercanos a 3. Esto significa que, por 1 kWh de energía eléctrica consumida, proporcionará 3 kWh (2580 kcal) de calor al medio a calentar.

El COP será tanto mayor cuanto más baja sea la temperatura a la que se cede el calor (en el condensador) y cuanto más alta sea la de la fuente de la que se absorbe (en el evaporador).

Además, es necesario tener en cuenta que la potencia térmica proporcionada por la bomba de calor depende de la temperatura a la que la misma absorbe calor.

Cómo funciona una bomba de calor para la refrigeración

La bomba de calor puede realizar también la función de refrigeración. La premisa fundamental es que la bomba de calor esté diseñada de manera reversible, es decir, que el proceso termodinámico de la unidad pueda invertirse.

En este caso, la bomba de calor extrae calor de los espacios habitables y lo transfiere al entorno circundante (aire, tierra o agua) a través del circuito de recuperación de calor descrito anteriormente.

Hay dos opciones disponibles para la refrigeración:

  • refrigeración activa: requiere energía eléctrica adicional para activar el compresor. A pesar de conllevar un coste adicional, ofrece una capacidad de refrigeración superior en comparación con la refrigeración pasiva. Esta modalidad se utiliza a menudo con las bombas de calor aire-agua;
  • refrigeración pasiva: es más eficiente desde el punto de vista energético, pero solo se puede implementar con bombas de calor agua glicol-agua o agua-agua. En este caso, la bomba de calor no está completamente activa y el calor del edificio se transfiere a la fuente de energía solo a través de la bomba de circulación.

¿Cómo funciona una bomba de calor en invierno?

Hablar de aprovechar el calor ambiental en invierno podría parecer un concepto inusual. Sin embargo, siempre y cuando la temperatura de la fuente de calor (aire, tierra o agua) permanezca por encima del punto de ebullición del refrigerante que transporta la energía térmica, es posible utilizar de manera eficiente el calor ambiental para la calefacción y la producción de agua caliente.

Dado que el punto de ebullición de los fluidos refrigerantes comúnmente utilizados oscila entre un máximo de -57°C y un mínimo de -12°C, el funcionamiento del sistema de calefacción está garantizado de manera confiable incluso durante el invierno.

En caso de que el sistema alcance su límite en días excepcionalmente fríos, se activa un elemento calefactor eléctrico adicional para garantizar la seguridad.

La eficiencia de una bomba de calor en invierno está influenciada por su diseño. Las variaciones de temperatura de las fuentes de energía para las bombas de calor de solución salina/agua (geotérmicas) y agua/agua (fosa) son significativamente menores que las de la bomba de calor aire/agua. En el suelo, la temperatura se mantiene al menos a 10°C durante todo el año desde una profundidad de 10 metros.

¿Cuáles son las ventajas de la bomba de calor?

Las principales ventajas del uso de una bomba de calor para la calefacción y el agua caliente sanitaria están relacionadas con las fuentes de energía renovable y gratuita de las que la bomba extrae el calor para destinarlo a los edificios.

Otras ventajas son:

  • considerable ahorro en las facturas;
  • costes bajos de mantenimiento;
  • bajo impacto ambiental;
  • acceso a incentivos fiscales.

Las desventajas de las bombas de calor están vinculadas principalmente a los costes de instalación y al espacio requerido. Más que desventajas, se debe hablar de consideraciones en la elección de los modelos.

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