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Bomba de calor hoy ▷ Funcionamiento e implantación para calefacción y ACS

Una 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 un fluido refrigerante cuando pasa de líquido a gas absorbe calor para cambiar de estado, por lo tanto, enfría. Cuando la transformación es de gas a líquido cede calor al aire o agua, por lo tanto, calienta. Para este proceso necesita de un compresor que varie sus presiones a lo largo del circuito variando así sus temperaturas de evaporación y de condensación (íntimamente relacionadas con la presión en el diagrama de Moliere).

La bomba de calor tiene la capacidad de extraer y capturar energía de fuentes externas y gratuitas. Esta característica hace que sea un equipo que consigue sumar a la potencia eléctrica de accionamiento del compresor, el calor absorbido en el evaporador, transportando así este calor útil al condensador entregando así entre 4 y 5 veces la potencia consumida al medio a calentar.

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 extraen calor del local pasándola al agua sanitaria para calentarla gratuitamente, es decir, aire acondicionado. En esta caso estamos hablando de una bomba de calor reversible . 

Esquema de funcionamiento de una bomba de calor

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.

Otra ventaja es que nos podemos eliminar de nuestros gastos la factura completa del proveedor de combustibles fósiles, con sus consiguientes impuestos y peajes por las conducciones de suministro 

Tipos de bombas de calor

Se distinguen cinco 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 de baja temperatura, ventilo convectores o aerotermos o acumuladores de Agua Caliente Sanitaria (ACS).
  • 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. 
  • Bomba de calor Aerotermia: este tipo de equipo es capaz de calentar o enfriar un ambiente como las bombas de calor aire-aire, calentar o refrescar un suelo radiante/refrescante e incluso calentar agua sanitaria (producir ACS).

    La gran ventaja de este sistema es que solo tenemos un suministro de energía, con lo que no deberemos pagar los peajes de gas natural, transporte de butano propano o gasóleo. 

Partes de la bomba de calor

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:

  • Compresor, cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso ya que, al reducir el volumen del gas, facilita el escape de calor al aumentar su temperatura por encima de la del medio a calentar. Para este trabajo requiere normalmente energía eléctrica o energía química (gas natural) para transformarse en energía mecánica.
  • Condensador. Intercambiador de calor situado siempre a la salida del compresor y a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede energía al agua del depósito por estar térmicamente más caliente que esta. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido.
  • 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 al descender esta se produce un descenso de la temperatura de evaporación. La principal función de esta esta válvula, es evitar que llegue liquido al compresor, ya que cuando esto sucede el compresor se destruye instantáneamente.
  • Evaporador. Otro intercambiador de calor situado a la salida de la válvula de expansión, que a través de su superficie ampliada por un sistema de aletas y gracias a haber descendido su temperatura de evaporación por debajo de la temperatura exterior del aire, permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire exterior. En este intercambiador el fluido refrigerante pasa de líquido a estado vapor saturado..

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. 

¿Cómo funciona 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 (proveniente del calor del aire en el evaporador más el calor proveniente de la transformación de la energía eléctrica en energía calorífica). 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 

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 (trabajando en bomba de calor). 

Para una correcta eficiencia y funcionalidad, una bomba de calor debe alcanzar un COP de entre 2 (menor a 2 no pasa la inspección de industria) 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%” (un rendimiento de 300% sabemos que es imposible, lo que ocurre es que recupera calor del foco frio, por esto triplica la inversión en energía), 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 (es decir la diferencia de temperaturas entre el foco frio y el foco caliente), temperatura de preparación y la humedad relativa.

SCOP: Seasonal Coefficient Of Performance (es un coeficiente estacional). Desde el 1 de enero de 2013 debe constar en las etiquetas energéticas de los equipos)

Se define como coeficiente global de rendimiento de la unidad, representativo de toda la temporada de calefacción designada (el valor del SCOP corresponde a una temporada de calefacción determinada), calculado dividiendo la demanda anual de calefacción de referencia por el consumo anual de electricidad para calefacción.

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.

Otra gran ventaja de estos sistemas es que son altamente recomendables y compatibles con las placas de energía solar fotovoltaica, dados los actuales niveles de eficiencia y bajos consumos eléctricos de estos equipos y a que sobre todo en refrigeración coincide su máxima demanda con altos índices de aportación solar y a la posibilidad de compensar los excedentes de producción solar con los consumos en horas que no hay producción,

Para los negacionistas del cambio climático también hay argumentos principalmente económicos ya que con estos sistemas se reduce el consumo en euros y el pago de peajes e impuestos al pasar a pagar al proveedor eléctrico en lugar de a dos proveedores (Gas y Electricidad) para un domicilio.

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, en gran medida, a la reducción del calentamiento global mediante 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 (Aerotermia), el agua o la tierra (Geotermia). 

Normativa aplicable

Debido a las nuevas actualizaciones de los reglamentos RSIF, RITE y CTE para incorporar las nuevas legislaciones europeas en cuanto a eficiencia energética y seguridad medioambiental, se observa una clara tendencia a incorporar cualquier tecnología que mejore la eficiencia energética de las instalaciones.

En este sentido para cumplir con los objetivos de descarbonización en 2030, las nuevas legislaciones obligan a estudiar la posibilidad de eliminar calderas sustituyéndolas por equipos del tipo bomba de calor, en concreto Aerotermia, Geotermia y aprovechamiento de energías residuales

Con la modificación del CTE por el Real Decreto 732/2019 de 20 de diciembre del Documento Básico HE Ahorro de energía se modifica el Artículo 15 Exigencias básicas de ahorro de energía (HE), en sus apartados 1 y 15.1.

Posteriormente el RITE es modificado por el Real Decreto 178/2021, de 23 de marzo. En la IT 1.2.3 Documentación justificativa en su Apartado 5 se indica más específicamente como debe cumplirse y justificarse en el proyecto el “ahorro de energía” especificado en el CTE.

A continuación, exponemos cómo quedan redactados los artículos mencionados en la parte de prescripción que afectan a la bomba de calor:

Estas modificaciones han dado un buen empujón a la utilización de bombas de calor en sustitución de sistemas basados en la combustión de fósiles, como calderas de gasóleo, gas natural o propano, ya que estos sistemas van contra los plazos de descarbonización prevista por la unión europea

IT 1.2.3 Documentación justificativa

Apartado 5

En el proyecto o memoria técnica, antes de que se inicie la construcción de edificios nuevos, se ha de tener en cuenta la viabilidad técnica, medioambiental y económica de las instalaciones alternativas de alta eficiencia, siempre que estén disponibles. Igualmente, se tendrá en cuenta el aprovechamiento de energía residual, así como, en su caso, la utilización de energías renovables.

En el caso de los edificios sujetos a reformas, se propondrán instalaciones alternativas de alta eficiencia, siempre que ello sea técnica, funcional y económicamente viable y siempre que se cumplan los requisitos de condiciones climáticas interiores saludables, la seguridad contra incendios y los riesgos relacionados con una intensa actividad sísmica. En su caso, se propondrá el remplazo de equipos alimentados por combustibles fósiles por otros que aprovechen la energía residual o que utilicen energías renovables.

Documento Básico HE Ahorro de energía

Artículo 15 Exigencias básicas de ahorro de energía (HE)

1. El objetivo del requisito básico "Ahorro de energía" consiste en conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir, asimismo, que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y mantenimiento.

En su apartado 15.1

Exigencia básica HE 0: Limitación del consumo energético. El consumo energético de los edificios se limitará en función de la zona climática de su ubicación, el uso del edificio y, en el caso de edificios existentes, el alcance de la intervención. El consumo energético se satisfará, en gran medida, mediante el uso de energía procedente de fuentes renovables.

Por lo que atendiendo a: Apéndice A Terminología en su definición de Energía procedente de fuentes renovables, nos lo define como energía procedente de fuentes renovables no fósiles, es decir, energía eólica, solar, aerotérmica, geotérmica, hidrotérmica y oceánica, hidráulica, biomasa, gases de vertedero, gases de plantas de depuración y biogás. 

La bomba de calor hoy: implantación en el mercado HVAC

La aerotermia y la bomba de calor como tecnología han vivido una notable evolución en los últimos años. Su implantación en el mercado HVAC es indiscutible hoy en día sobre todo, en vivienda de nueva. Nos encontramos ante una gran oportunidad y reto con miles de viviendas por rehabilitar y con un mercado por descarbonizar. ¿Qué papel va a jugar la bomba de calor en todo esto?

Francisco Perucho, presidente de AFEC, asociación de fabricantes de equipos de climatización, nos explica en la siguiente entrevista de nuestro ciclo #protagonistascaloryfrio cuál es la posición actual de la bomba de calor en el mercado HVAC, cómo se puede sacar el mayor rendimiento a esta tecnología hibridándola con otros sistemas y cuál es su potencial para la rehabilitación y descarbonización de edificios. 

 

Fuente: AFEC, plan estratégico de promoción de la bomba de calor. 

Esperamos que este artículo te haya servido para orientarte. Desde Caloryfrio.com recomendamos siempre consultar a un instalador de aerotermia acreditado para resolver tus dudas y realizar tu proyecto con el mejor resultado.

 
 
Modificado por última vez enMiércoles, 06 Abril 2022 10:39

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