Una bomba de calor es un aparato cuyo funcionamiento se basa en el ciclo de Carnot, físico francés pionero en estudiar la termodinámica, y en una línea, podemos resumir su funcionamiento diciendo que son equipos que transportan energía de un ambiente a otro. Este proceso se genera a través del cambio de estado de gas a líquido de un fluido refrigerante por medio de la temperatura ambiente y con ayuda de un compresor. Las bombas de calor son empleadas en equipos de climatización para aportar calor, calentar agua sanitaria o, si realizan el ciclo inverso, aportar frío al local. En este caso hablamos de una bomba de calor reversible.
La principal ventaja de usar la bomba de calor reside en su capacidad de suministrar más energía útil (en forma de calor) de la que utiliza para su funcionamiento (energía eléctrica), pudiendo llegar a producir un ahorro del 80 % respecto a un sistema de calentamiento tradicional como gas, electricidad o gasóleo. Las ventajas derivadas del uso de la bomba de calor, así como sus bondades se relacionan directamente con aspectos de ídole medioambiental, tales como la eficiencia energética, el uso de energías renovables, contribución a la reducción de emisiones de CO2, uso de refrigerantes respetuosos con el medio ambiente, etc. Además, tienen la capacidad de capturar energía de fuentes externas y gratuitas. Esta característica hace que sea un equipo que multiplica la potencia eléctrica de accionamiento del compresor, transportando calor útil de forma altamente eficiente.
Ventajas de las bombas de calor
Confort: consigue una temperatura perfecta y una óptima calidad del aire, con un control completo por parte del usuario.
Eficiencia: multiplica su capacidad de generar frío o calor, transportando el calor de forma altamente eficiente.
Ahorro: reduce la factura energética gracias a su elevada eficiencia energética.
Fiabilidad: es el sistema más utilizado en los sectores con mayores necesidades de climatización.
Tranquilidad: su funcionamiento y mantenimiento es muy sencillo.
Seguridad: no hay combustión, fuego, chimeneas ni almacenamiento de combustibles o productos inflamables.
Sostenibilidad: utiliza energía procedente de fuentes renovables y reduce las emisiones directas de CO2.
Funcionalidad: puede proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente mediante un solo equipo.
Tipos de bombas de calor
Se distinguen cuatro tipos principales de bomba de calor, según los ambientes de donde obtengan la energía y el modo de transportarla:
- Bomba de calor aire-aire: el calor se toma del aire y se transfiere directamente al aire del local. Son los sistemas split, por ejemplo, y la mayoría de los sistemas de aire acondicionado que conocemos.
- Bomba de calor aire-agua: el calor se toma del aire y se transfiere a un circuito de agua que abastecerá un circuito de calefacción por agua, que puede ser suelo radiante, techo radiante/refrescante, radiadores, ventiloconvectores o aerotermos.
- Bomba de calor agua-agua: el sistema toma el calor de un circuito de agua subterránea para transferirlo a otro circuito de agua como en el caso anterior. Es el sistema llamado geotermia de captación abierta.
- Bomba de calor glicol-agua: este tipo de bombas de calor obtiene la energía del terreno a través de un fluido caloportador (glicol) que absorbe el calor del suelo y lo transmite al circuito frigorífico de la bomba. Así funciona la geotermia de captación cerrada.
Componentes
Las bombas de calor suelen tener dos partes: la unidad exterior y la unidad interior, aunque cada vez más existen sistemas solo con una unidad exterior, haciendo de unidad interior directamente el circuito de calefacción. No obstante, hay elementos comunes a todas las bombas de calor:
- Compresor: su trabajo permite el desarrollo del proceso, requiere de electricidad para su funcionamiento. Es el elemento fundamental de la bomba de calor y en gran medida su tecnología proporciona el rendimiento del equipo.
- Fluído refrigerante: junto al compresor, el elemento mas importante. Son gases con propiedades especiales, como por ejemplo, que hierven (cambian de estado líquido a gaseoso) a temperaturas inferiores a 0 ºC.
- Condensador: es un intercambiador de calor a través del cual el fluido refrigerante en forma de gas cede toda su energía al otro circuito. A medida que va cediendo la energía,el gas se condensa y vuelve a estado líquido.
- Válvula de expansión: el componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante, y que por medio de su cambio de sección, produce una reducción brusca de la presión y la temperatura del fluido.
- Evaporador: es otro intercambiador de calor que, a través de su superficie ampliada por un sistema de aletas, permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire ambiente. En este intercambiador el fluido refrigerante «hierve» en contacto con el ambiente y por ello pasa a estado gaseoso.
Principio de funcionamiento de una bomba de calor
Un ejemplo claro de bomba de calor es el frigorífico. En este caso, se transfiere el calor del interior del frigorífico (reduciendo su temperatura) hacia el exterior, aumentando la temperatura de la estancia. En el caso de una bomba de calor para producción de agua caliente sanitaria el funcionamiento es similar: se absorbe el calor del aire del ambiente y se cede al acumulador de agua a través de un serpentín o condensador. El principio de funcionamiento de la bomba de calor se basa en los principios de la termodinámica y se puede estructurar en 4 pasos:
- En el primer paso el fluido refrigerante se encuentra a baja temperatura y a baja presión y, por lo tanto, en estado líquido. El aire del ambiente está en contacto con el evaporador, dónde el fluido refrigerante absorbe la temperatura del aire, absorbiendo tanta energía que hierve y cambia a estado gaseoso. Por esa energía cedida al refrigerante, el aire del ambiente se enfría. Esta energía obtenida del aire ambiente es la energía renovable y gratuita que obtiene el sistema.
- El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor, pero todavía a baja presión. Al pasar a través del compresor, este produce un aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura. El compresor proporciona en esta fase, gracias a la energía eléctrica, la temperatura que requiere el sistema de calefacción o agua caliente y que no ha podido absorber del aire ambiente en el paso 1.
- A la salida del compresor tenemos vapor a alta temperatura, que circula por el condensador, donde va cediendo toda la energía al agua o aire del circuito de calefacción. Al ceder esa energía se enfría y se condensa, volviendo así a estado líquido.
- En el último paso del proceso, el fluido refrigerante pasa por la válvula de expansión, donde obtiene de nuevo sus condiciones iniciales, es decir, volvemos a tener un fluido a baja presión y a baja temperatura, en estado líquido. De esta forma se puede volver a iniciar el proceso.
En la siguiente imagen se puede ver gráficamente esta explicación:
En esta imagen se puede ver un ejemplo de funcionamiento de bomba de calor geotérmica:
Como la energía térmica solamente puede ir de un nivel de energía más alto a otro más bajo, el fluido refrigerante presente en el evaporador, necesariamente debe estar a una temperatura menor que la del aire ambiente. Por otra parte, el fluido refrigerante situado en el condensador debe tener también necesariamente, una temperatura superior a la del agua a calentar en el depósito para poder cederle energía. Cuanto más energía sea capaz de absorber un refrigerante, y cuanto menos consumo eléctrico necesite el compresor para llegar a la temperatura de trabajo final, mejor será el rendimiento y el ahorro de la bomba de calor.
Coeficiente de rendimiento de las bombas de calor
La eficiencia de una bomba de calor se mide por su coeficiente de rendimiento (COP, Coefficient Of Performance en inglés). En este caso, se trata de una relación entre el calor cedido y la energía eléctrica consumida por el compresor. Para una correcta eficiencia y funcionalidad, una bomba de calor debe alcanzar un COP de entre 2 y 6, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos (interior o exterior). De forma práctica se puede decir que un COP 3 implica un rendimiento del 300%, o lo que es lo mismo, para 1 kWh consumido de energía eléctrica se aportan 3 kWh de energía en forma de calor.
El COP es variable según el tipo de bomba de calor y según las condiciones de funcionamiento. La variable que más influye en su funcionamiento es principalmente la temperatura ambiente, aunque influyen muchos otros valores dependiendo de cada sistema, como la temperatura de entrada agua fría, la temperatura de preparación o la humedad relativa.