Bombas de calor. Calor y frío en una misma solución

Ya sea en verano o en invierno, las bombas de calor son sistemas altamente eficientes que aprovechan las fuentes renovables de energía del entorno (aire, agua o el calor del subsuelo) para aclimatar un espacio. Esto al tiempo de reducir el consumo de electricidad y contribuir a la descarbonización de los edificios.

José Antonio Espinosa de los Monteros

Para entender cómo funcionan las bombas de calor(BdC) es necesario conocer algunos conceptos básicos, características y beneficios principales.

Las BdC toman la energía del entorno natural (el aire, el agua o la tierra) y la transportan al interior de los espacios interiores de los recintos, calentándolos. También actúan a la inversa, llevando el calor del interior de los edificios hacia el exterior, refrescándolos. Lo anterior de una forma muy eficiente, ya que son capaces de transportar más calor que la energía eléctrica que consumen.

En otras palabras, las bombas de calor aprovechan los recursos naturales existentes para suministrar no sólo calefacción, sino refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS). Según la naturaleza del medio con el que intercambian calor las BdC se clasifican en:
Aerotérmicas: obtienen el calor de la energía contenida en el aire ambiente.
Hidrotérmicas: extraen el calor de la energía contenida en las aguas superficiales, lagos, mares o ríos.
Geotérmicas: obtienen el calor de la energía contenida en el subsuelo.

Las BdC que funcionan captando la energía del aire utilizan un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado. El proceso se basa en la aerotermia, es decir, se trabaja con la energía almacenada en forma de calor en el ambiente. Esto significa que transfieren calor entre dos focos a diferente nivel térmico, lo que implica que el calor fluya de una temperatura más baja a más alta. Las bombas de calor aerotérmicas, pues, son capaces de captar la energía del ambiente exterior para aclimatar un espacio. Se trata de una tecnología renovable precisamente porque el aire del entorno está disponible de forma inagotable en la naturaleza.

Componentes principales

En el ciclo termodinámico de las BdC, el estado físico del fluido contenido en el circuito frigorífico (refrigerante) se modifica para permitir la citada transferencia de calor del “foco frío” al “foco caliente” mediante la aportación de un trabajo mecánico. Lo anterior se realiza por medio de los componentes principales de las BdC: compresor, condensador, dispositivo de expansión y evaporador. Cada parte desempeña una función destinada un proceso específico (Figura 1).

Figura 1. Funcionamiento de una bomba de calor.
Figura 2. Transferencia de calor mediante trabajo mecánico.

Los cuatro procesos principales de las BdC son:
1. Compresión: se eleva la presión y temperatura del refrigerante y se transfiere al mismo la energía necesaria para su movimiento a lo largo del circuito frigorífico.
2. Condensación: se produce la condensación del refrigerante, cediendo calor del medio externo al condensador.
3. Expansión: la válvula de expansión genera una pérdida de carga que reduce la alta presión del refrigerante procedente del condensador.
4. Evaporación: el refrigerante se evapora absorbiendo calor del medio externo al evaporador.

En resumen, se absorbe en el evaporador calor del medio frío (enfriamiento) y luego se cede este calor en el condensador junto con la energía aportada al compresor para su funcionamiento al medio caliente (calentamiento). En consecuencia, se origina la transferencia de calor antes mencionada.

En la Figura 2, se observa en el eje de las abscisas cómo el tramo de entalpía correspondiente a la energía convencional aportada, necesaria para el proceso de compresión, es muy inferior a los tramos de las entalpías correspondientes tanto al de la energía absorbida en el evaporador para la refrigeración como al de la energía cedida en el condensador para la calefacción. De este modo, se muestra gráficamente por qué los rendimientos de las bombas de calor, tanto en refrigeración como en calefacción, son muy superiores a 1.

Figura 2. Gráfica correspondiente a las presiones-entalpías representativa del ciclo frigorífico.
La auge Europeo de las BdC
Desde el 2016, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) consideraba que las BdC eran la “mejor tecnología disponible” en términos de eficiencia energética y una alternativa a los equipos HVAC convencionales. Se estima que esta tecnología triplique sus ventas para el 2030 y esté presente en más de 1 mil millones de hogares en el mundo para el 2050.
En el caso de la Unión Europea (UE), a raíz del conflicto bélico en Ucrania, las bombas de calor se han develado como una opción sustentable para independizarse del gas importado desde Rusia. De acuerdo con la UE, las bombas de calor son capaces de proporcionar, gratuitamente, al menos, el 60 por ciento de la energía necesaria para climatización.
En fechas recientes, por ejemplo, la Comisión Europea (CE) elaboró el informe REPowerEU: Joint European Action for more affordable, secure and sustainable energyque, que prevé acelerar al doble el ritmo anual del despliegue de bombas de calor en el continente europeo. El objetivo es alcanzar los 10 millones de bombas de calor hidrónicas (agua) instaladas en hogares en los próximos cinco años hasta llegar a los 30 millones para el 2030.
Dicho despliegue acelerado ahorraría más 35 mil millones de metros cúbicos (bcm) de gas para esa fecha. Esta acción, concluye el informe de la CE, requerirá una rápida mejora de toda la cadena de suministro y estará acompañado de medidas para impulsar la renovación de edificios y la modernización del sistema de calefacción urbana.
Fuente: REPowerEU: Joint European Action for more affordable, secure and sustainable energy, Strasbourg, COM (2022).

 

Cabe recordar que, habitualmente, está muy extendido el uso de las bombas de calor reversibles, que incorporan en su circuito un quinto elemento: la válvula de inversión o de 4-vías. Este tipo de BdC invierten el sentido del flujo del refrigerante y, consecuentemente, el del calor. Eso significa que el mismo equipo puede trabajar en modo calefacción y en modo refrigeración, ya que ambos intercambiadores pueden funcionar como evaporador o como condensador alternativamente (Figuras 3 y 4).

Figura 3 y 4. Modos de calefacción (1) y refrigeración (2) de las bombas de calor.

Por esta razón en las BdC se habla también de una unidad exterior y otra exterior. La primera que contiene los elementos del circuito frigorífico que se sitúan en el exterior. La segunda contiene los elementos que se ubican en el interior del local o dan servicio al mismo. Ambas incorporan los respectivos intercambiadores de calor exterior e interior que funcionan como evaporador o como condensador según el modo de funcionamiento.

Aplicaciones de la bomba de calor

En el caso de las bombas de calor aerotérmicas, la fuente exterior es el aire ambiente. De ahí que el intercambiador exterior suele ser una batería (intercambiador de calor airefluido refrigerante). A su vez, el intercambiador interior puede ser de dos tipos:
1. También una batería, en el caso de unidades BdC aire-aire, que tratan directamente el aire de los espacios interiores.
2. Un intercambiador de placas, o coaxial, en el caso de unidades BdC aire-agua que suministran agua caliente o fría para su distribución interior a los emisores (fan and coil, suelo radiante/ refrescante, etcétera).

Todas las aplicaciones mencionadas anteriormente se llevan a cabo mediante equi- pos de climatización que, dependiendo de la fuente renovable que utilicen, pueden ser sistemas de agua o sistemas de aire.

Las bombas de calor aire-aire o agua-aire proporcionan aire caliente o frío dependiendo de las necesidades de temperatura del recinto. La impulsión del aire se puede realizar directamente dentro del local o bien mediante una red de distribución de conductos. En este último caso para satisfacer la demanda y mantener las condiciones de confort se utilizan diversas técnicas: caudal variable o constante de aire, rejillas, difusores, etcétera.

En cambio, las bombas de calor aire-agua o agua-agua (hidrónicas) climatizan el recinto mediante agua caliente o agua fría, generado por la BdC. El agua se distribuye mediante un sistema de tuberías, calentando o enfriando así el recinto a través de ventiloconvectores, fan and coils, radiadores de alta o baja temperatura, suelo radiante/refrescante, etcétera.

Dentro del mercado nacional las aplicaciones de sistemas BdC son altamente utilizados, sobre todo en el centro y norte de México donde los cambios de estación son evidentes en los opuestos de verano e invierno, principalmente.

Alternativa HVAC que cuida el medio ambiente

Al aprovechar la energía disponible en el aire del ambiente, el subsuelo o las aguas superficiales, las bombas de calor mejoran la eficiencia energética de los sistemas HVAC y reducen el consumo de energía prifuncionamiento del compresor. Actualmente, los usos de las bombas de calor aerotérmicas son ilimitados.maria, es decir, no renovable, asociada al funcionamiento del compresor. Actualmente, los usos de las bombas de calor aerotérmicas son ilimitados.

Las BdC que funcionan captando la energía del aire utilizan un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado. El proceso se basa en la aerotermia, es decir, se trabaja con la energía almacenada en forma de calor en el ambiente.

Si bien hay algunas bombas de calor a gas, la inmensa mayoría son eléctricas y funcionan con fuentes renovables, por lo que promueven las energías limpias (aire, agua, tierra). No sorprende, pues, que las bombas de calor estén cobrando gran protagonismo en la consecución de los objetivos globales relativos a la energía y clima.

Lo anterior es posible porque en invierno transfieren el calor natural del aire (aerotermia), el agua (hidrotermia) o la tierra (geotermia) al interior de los edificios. Durante el verano, en cambio, lo enfrían, transfiriendo el calor del interior hacia el exterior, proporcionado un ambiente fresco y agradable. Por ejemplo, una bomba de calor aerotérmica que entrega 4 kW de energía de calefacción, consume sólo 1 kW eléctrico y capta los 3 kW restantes del aire ambiente de manera gratuita.

En síntesis, las BdC contribuyen a la eficiencia energética de los recintos porque son capaces de transportar más calor que la energía eléctrica que consumen. Y, desde luego, son más respetuosas con el medio ambiente porque reducen el uso de combustibles fósiles y contribuyen a la descarbonización (emisiones de CO2) de las edificaciones.

José Antonio Espinosa de los Monteros Ingeniero mecánico por el Instituto Politécnico Nacional. Consultor de eficiencia energética, líder y especialista en la industria HVAC con más de 25 años de experiencia. Actualmente, se desempeña como gerente de ventas de las divisiones de Comercial Aplicado y Comercial Ligera en Midea México.

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