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Funcionamiento de la bomba de calor para calefacción y agua caliente

Esquema de funcionamiento de una bomba de calorUna bomba de calor es un aparato cuyo funcionamiento se basa en la termodinámica. Consiste en transportar energía en forma de calor de un ambiente (que puede ser aire, agua o suelo) a otro. Este proceso, basado en la aerotermia, 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.

La bomba de calor tiene 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. 

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Saunier Duval


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Las bombas de calor son empleadas en equipos de climatización. En este caso, para generar calefacción o calentar agua sanitaria, aunque también hay bombas de calor que funcionan con un ciclo inverso, es decir, que aportan frío al local, es decir, aire acondicionado. En esta caso estamos hablando de una bomba de calor reversible . 

Bomba-calor

La 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 70% 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.

Tipos de bombas de calor

Se distinguen cuatro tipos principales de bomba a calor:

  • Bomba a calor aire-aire : el calor que se toma del el aire se transfiere directamente al aire del local que debe calentarse.

  • Bomba a calor aire-agua : el calor se toma del aire y se transfiere a un circuito de agua que abastecerá un suelo/techo radiante/refrescante,  radiadores, ventiloconvectores o aerotermos.

  • Bomba a calor agua-agua : el sistema toma el calor de un circuito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el calor (la tierra, capa freática) para transferirlo a otro circuito de agua como en el caso anterior. Es el sistema generalmente adoptado por las bombas de calor geotérmicas.

  • Bomba de calor geotérmica: este tipo de bombas de calor obtiene la energía del terreno a través de un fluido caloportador que absorbe el calor del suelo y lo transmite al circuito frigorífico de la bomba. 

Componentes

La bomba de calor aire-agua consta de dos partes: el grupo bomba de calor situado en la parte superior y el depósito de acumulación en la parte inferior. La bomba de calor está basada en el aprovechamiento de la energía que producen los cambios de estado del fluido refrigerante. Este fluido circula por el interior de un circuito cerrado que consta de:

  1. Compresor, cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso y que requiere de electricidad para su funcionamiento. 
  2. Condensador. Intercambiador de calor situado a lo largo del calderín y a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede toda su energía al agua del depósito. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido.
  3. Válvula de expansión. Componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante  y que por medio de su cambio de sección, supone una reducción brusca de la presión y también un descenso notable de la temperatura.
  4. Evaporador. Otro intercambiador de calor situado en la parte superior, 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 pasa a estado vapor.

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.

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: el gas absorbe el calor del aire del ambiente y lo cede al acumulador de agua a través de un 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 aspirado del ambiente pasa a través del evaporador, dónde el fluido refrigerante absorbe la temperatura del aire ambiente y cambia de estado. Al mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura más baja.

-       El fluido refrigerante llega al paso 2 en forma de vapor pero todavía a baja presión. Pasándolo a través del compresor se produce un aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura. 

-       Como resultado se obtiene vapor en un estado elevado de energía. Este vapor situado en el paso 3 es el que circula por el condensador situado a lo largo del calderín donde va cediendo toda la energía al agua acumulada, volviendo así a estado líquido.

-       En el último paso del proceso, el fluido refrigerante ya en estado líquido se hace pasar por la válvula de expansión para obtener de nuevo el fluido en sus condiciones iniciales, es decir,  a baja presión y a baja temperatura. De esta forma se puede volver a iniciar el proceso.

Ciclo de funcionamiento 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 este caso, se trata de una relación entre el calor cedido y la energía eléctrica consumida principalmente 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 1kWh consumido de energía eléctrica se aportan 3 kWh de energía en forma de calor al depósito de acumulación.

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 también influye la temperatura entrada agua fría, temperatura de preparación y humedad relativa.

Ejemplo de rendimiento de una bomba de calor para agua caliente sanitaria:

Calculemos el ahorro obtenido con la instalación de una bomba de calor en una vivienda de 4 personas en Valencia. La demanda de agua caliente es de 120 litros/día a 60ºC que corresponden a 2.307 kWh anuales.

Bomba-calor-rendimientos

 

Considerando el COP elegido y la variación del mismo por la zona en la que se instala se obtiene un ahorro del 70% de energía.

Bomba-calor-rendimientos02

 

Dado que la bomba de calor aporta un 70% de ahorro en la producción de agua caliente sanitaria se puede equiparar al ahorro exigido en el apartado HE4 del Código técnico de la edificación, por lo tanto este equipo  se puede utilizar justificadamente para disminuir el porcentaje de cobertura solar exigido en cualquier edificación sujeta a CTE.

Además del ahorro que puede llegar a suponer, también hay que considerar otros efectos que produce su funcionamiento. El aire que expulsa, a diferencia de otros sistemas de calentamiento de agua sanitaria, no solamente no es el resultado de ningún tipo de combustión sino que es aire fresco. De esta forma, las bombas de calor contribuyen aunque sea en pequeña medida a la reducción del calentamiento global y también a la reducción de emisiones de CO2. De hecho, se ha estimado que una bomba de calor con acumulador de 80 litros permite reducir 480 kg/año de CO2 vinculado a la producción de energía eléctrica.

En resumen,  la bomba de calor supone un paso importante hacia la eficiencia y el ahorro energético utilizando como fuente de energía algo tan simple como el propio aire ambiente, el agua o la tierra. 

Fuentes: Libro La Bomba de Calor de AFEC

Modificado por última vez enLunes, 14 Diciembre 2020 15:04
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