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Aerotermia de alta temperatura para sustitución de calderas de gas

Aerotermia de alta temperatura trabajando con radiadores convencionalesEl principal problema actual de las bombas aerotérmicas se encuentra en el rango de las altas temperaturas (70-90°C), zona donde habitualmente se encuentran trabajando las instalaciones convencionales domésticas de calefacción por caldera de gas o gasoil y radiadores clasicos.

La ventaja de operar en este rango es, sin duda, la posibilidad de la sustitución directa de las calderas de gas por bombas de calor con la simplificación en la rehabilitación que de esta manera se logra. Pero… ¿Qué rendimientos tienen este tipo de sistemas y cómo funcionan?  Lo explicamos a continuación.  

Aerotermia de baja temperatura

La bomba de calor aerotérmica de baja temperatura es ya una tecnología de presente y con un espléndido futuro gracias a sus grandes rendimientos energéticos en producción de ACS, calor y frío en combinación con suelos radiantes / refrescantes a temperaturas de operación entre 30-50°C.

El interés del mercado por esta tecnología en nuevas construcciones y en rehabilitaciones integrales con sustitución total de la instalación de ACS y calefacción es cada vez más elevado.

La bomba de calor aerotérmica se basa en el ciclo térmico de Carnot y aprovecha la energía latente del cambio de fase líquido / gas de un refrigerante para ceder y absorber calor a través de una unidad exterior y otra interior respectivamente. Para mover el circuito de refrigerante dispone de una bomba de circulación y un compresor que, básicamente, son los únicos elementos que tienen consumo eléctrico del equipo. En este proceso térmico, los rendimientos energéticos de calor/frío obtenidos son muy altos en comparación con la energía eléctrica suministrada.

En la siguiente figura se pueden ver los rendimientos medios estacionales certificados para las distintas etiquetas energéticas de las bombas de calor según normativa europea.

Etiquetado energético de bombas de calor según directiva europea

Etiquetado energético de bombas de calor según directiva europea

Como se puede observar, por ejemplo, en una bomba aerotérmica de etiqueta energética A los rendimientos medios estacionales superan el 500% en modo refrigeración (SEER=5) y alcanzan hasta el 400% en modo calefacción (SCOP=4). Eso significa, a grandes rasgos, que se obtiene del orden de 4-5 veces de energía térmica sobre la energía eléctrica aportada.

En este sentido los beneficios en confort, ahorro energético y eficacia de la tecnología de bomba de calor aerotérmica de baja temperatura quedan, en principio, fuera de toda duda.

Aerotermia de alta temperatura

Sin embargo, no todo el horizonte de la aerotermia está tan claro.

La mayoría de las bombas de calor aerotérmicas en el mercado abarcan temperaturas de trabajo comprendidas entre 35 y 55°C y delatan su incapacidad para trabajar en temperaturas superiores. Pero ya existen algunos modelos comerciales que sí especifican temperaturas de operación a altas temperaturas (entre 65° y 80°C) que son perfectas para este tipo de rehabilitaciones en las que solo se proponga la sustitución de la caldera sin modificar el resto de la instalación de radiadores. Ni que decir tiene que estas bombas también generan agua caliente sanitaria con lo que la optimización del cambio es total.

Cómo funciona la aerotermia de alta temperatura

Estas bombas de calor aerotérmicas a alta temperatura funcionan mediante un sistema en cascada o de doble compresor que de forma automática regula su funcionamiento con dos ciclos independientes de refrigerante (R410 y R134a habitualmente) para conseguir alcanzar las temperaturas necesarias cercanas a los 80°C.

El resto del tiempo cuando la demanda es más baja solo se utiliza un ciclo. De esta manera su capacidad calorífica es estable incluso a bajas temperaturas ambientes.

Para completar su funcionalidad suelen tener rangos de potencia similares a los necesarios en viviendas unifamiliares (entre 8 y 16KW) y el mueble interior suele tener al ancho de los muebles de la cocina incluyendo un depósito acumulador de agua caliente sanitaria para que la sustitución pueda ser casi inmediata.

Rendimientos de la aerotermia de alta temperatura para calefacción

Las bombas de calor aerotérmicas tienen dos peculiaridades importantes en su rendimiento energético.

En primer lugar, y como ya se ha comentado, tienen mejor rendimiento para calefacción (COP) con temperaturas de operación bajas (entre 35 y 45°C). A medida que aumenta la temperatura su rendimiento empeora.

Esto se puede observar en la siguiente tabla.

Rendimiento (COP) de bomba de calor aerotérmica comercial en función de la temperatura exterior y de operación

Rendimiento (COP) de bomba de calor aerotérmica comercial en función de la temperatura exterior y de operación

Para las mismas condiciones exteriores (7°C, por ejemplo), la bomba de calor tiene mucho más rendimiento trabajando para aportar 30° (COP=4,8) que a 45° (COP=3,3). Como se puede observar las bombas de calor aerotérmicas convencionales no son capaces de trabajar en un rango superior a los 55°C de temperatura de trabajo.

Por otro lado, las bombas de calor de aerotérmicas tienen mejor rendimiento cuanto más templada es la temperatura del ambiente exterior. Con temperaturas exteriores extremas su rendimiento empeora bastante. En cambio, en climas más templados y condiciones exteriores más benévolas su funcionamiento es óptimo.

De esta forma para las mismas condiciones de funcionamiento (40°C, por ejemplo), la bomba de calor tiene mucho más rendimiento trabajando a 14°C (COP=4,3) que a 0° (COP=2,7).

Las pocas bombas de calor aerotérmicas comerciales que existen en la actualidad aportan todavía poca información acerca de sus rendimientos a altas temperaturas y siempre para temperaturas ambientes de exterior de 7°C. Esto tampoco es un problema ya que el mayor número de horas de calefacción se suele encontrar en el rango entre 2 y 14°C de forma que 7°C parece una temperatura de estudio bastante razonable.

A continuación se muestra una tabla que especifica el rendimiento medio actual a distintas temperaturas con ambas tecnologías (baja y alta temperatura de operación):

Ejemplos tipo de rendimientos bombas de calor a Baja y Alta Temperatura a 7°C exteriores

Ejemplos tipo de rendimientos bombas de calor a Baja y Alta Temperatura a 7°C exteriores

Como conclusiones se puede decir, en primer término, que a bajas temperaturas (35°C) estas máquinas de doble ciclo de compresión pierden parte del rendimiento (3,8 por 4,2 de las convencionales).

En segundo lugar, se evidencia que en el rango de las altas temperaturas (80°C) todavía mantienen el rendimiento de las convencionales a temperaturas de 55°C (COP=2.4).  Esto significa que, si bien no tienen un rendimiento óptimo, todavía se puede considerar bastante aceptable. Lógicamente a temperaturas exteriores más bajas todavía el rendimiento sería inferior.

Hay que recordar en este punto que para que una bomba de calor aerotérmica se considere como un porcentaje de energía renovable debe tener un rendimiento medio estacional que supere valores cercanos de SCOP=2.5 de forma que en este modo de operación (COP=2.4) todavía su consumo se consideraría íntegramente electricidad sin fracción renovable.

¿Es rentable cambiar a aerotermia de alta temperatura?

Para calcular si realmente el cambio de una caldera de gas por una bomba de calor aerotérmica de alta temperatura es rentable se realiza una simulación con los siguientes datos.

  • Consumo anual promedio de calefacción de una familia según datos del estudio IDAE SPAHOUSEC II para viviendas con calefacción individual en zona templada de España (en zonas muy frías los rendimientos serían peores)
    • 6000KWh/año aproximadamente para viviendas en bloque
    • 13000Kwh/año aproximadamente para viviendas unifamiliares
  • Rendimiento medio de una caldera de gas: 92%
  • Precio aproximado del KWh de gas actual: 0,0656€/kWh
  • Precio aproximado del KWh de gas actual final en la factura (después de término de potencia, impuestos, alquileres de equipos e IVA): 0,160€/kWh
  • Rendimiento medio de la bomba de calor aerotérmica a alta temperatura para calefacción: 230% (COP=2,3, suposición más prudente que el 2,4 que proporciona el fabricante).
  • Precio aproximado del KWh de la electricidad actual: 0,167€/Kwh
  • Precio aproximado del KWh de la electricidad actual final en la factura (después de término de potencia, impuestos, alquileres de equipos e IVA): 0,260€/kWh

Con estos números se obtienen los siguientes resultados para una vivienda dentro de un bloque con estimación de consumo de 6.000KWh/año:

Cálculos de ahorro al cambiar a aerotermia en la factura de suministro

Este cambio supone un ahorro anual en factura para el usuario final de unos 365 euros al año.

Teniendo en cuenta que la instalación actualmente de un equipo de estas características en sustitución de una caldera de gas puede rondar los 9.000€, la amortización de la sustitución del equipo se realizaría en unos 25 años.

Se trata de un plazo de tiempo demasiado largo (considerando una vida útil de la máquina de 25 años) aunque hay que reconocer que es muy difícil pronosticar la tendencia de los precios de ambos combustibles en el futuro ya que tanto la electricidad como el gas son muy volátiles.

Si la sustitución viniera motivada por la avería de la caldera en funcionamiento, la operación se haría algo más viable ya que a los 9.000 euros de la bomba de calor se descontarían unos 4.000€ de la reposición de la nueva caldera con lo que la inversión se amortizaría en 13 años, un plazo mucho más razonable.

Al realizar de nuevo los cálculos para una vivienda unifamiliar con la estimación de 13.000 KWh al año se obtienen los siguientes resultados:

Cálculos de ahorro al cambiar a aerotermia en la factura de suministro

Este cambio supone un ahorro anual en factura para el usuario final de unos 790 euros al año.

En este caso la instalación de un equipo de estas características es algo mayor ya que las potencias necesarias suelen ser superiores y pueden rondar los 11.000€.  La amortización de la sustitución del equipo se realizaría en unos 13 años que se puede considerar suficiente (vida útil de 25 años).

Además, si la sustitución viniera motivada por la avería de la caldera en funcionamiento la inversión se amortizaría en 8 años siendo este ya un valor bastante interesante.

Es decir, con los datos actuales de que se dispone, a medida que el consumo de la vivienda se hace mayor la instalación de la bomba de calor aerotérmica en sustitución de una caldera de gas se hace mucho más viable.

Además, es muy probable que en los próximos años esta tecnología baje de precio con lo que los plazos de recuperación de la inversión serán mucho menores.

Modificado por última vez enMartes, 26 Octubre 2021 12:16

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