Cómo contribuye la aerotermia a la descarbonización de los edificios

• Porqué es importante que los edificios sean eléctricos, eficientes y flexibles
• Cómo contribuye la bomba de calor en la descarbonización de los edificios
• Cómo se integra la aerotermia en los edificios teniendo en cuenta las tres premisas clave para alcanzar el objetivo de neutralidad climática en 2050
• Combinación de la aerotermia con otras tecnologías renovables en Zero-Carbon Building
• Conclusiones   

Porqué es importante que los edificios sean eléctricos, eficientes y flexibles

The Energy Transitions Commission es una coalición internacional cuyo propósito consiste en la transición energética global. Su objetivo principal consiste en acelerar el cambio hacia sistemas de bajas emisiones de carbono. Esto permitirá un desarrollo económico consistente y limitará el aumento de la temperatura global del planeta muy por debajo de los 2°C (idealmente a 1,5°C). Objetivo acordado en 2015 en el Acuerdo de París. Un tratado internacional sobre el cambio climático, jurídicamente vinculante, que fue adoptado por 196 Partes en la COP21. Con esta estrategia los líderes de esta organización se han comprometido a alcanzar cero emisiones netas para 2050.

En el informe, se proponen diferentes soluciones para la descarbonización de los edificios, cuya combinación será diferente para cada tipo de edificio, país y clima. Pero, en cualquier caso, se debe de cumplir tres premisas clave para alcanzar el objetivo de neutralidad climática en 2050:

• Los combustibles fósiles serán reemplazados por la electrificación.
• La eficiencia energética se debe mejorar drásticamente.
• La construcción de edificios debe de ser eficiente y baja en carbono (operacional y embebido).

Con todo ello, el informe analiza los siete retos clave que están interconectados y que requieren de un enfoque integral: descarbonizar la calefacción en los climas más fríos, proporcionar soluciones de refrigeración eficientes y asequibles en climas cálidos y en regiones en desarrollo, promover la transición hacia soluciones de cocina limpia y eléctrica, maximizar la eficiencia energética en los electrodomésticos y la iluminación, promover la descarbonización de los edificios comerciales, que los edificios sean elementos activos y flexibles dentro de un sistema energético descarbonizado y estable, y que todos los edificios nuevos que se construyan cumplan con el estándar más alto de cero emisiones de carbono desde el principio, incluido el carbono embebido en los materiales de construcción. 

Cómo contribuye la bomba de calor en la descarbonización de los edificios

El informe posiciona la tecnología de la bomba de calor como una tecnología indispensable ya que utiliza la electricidad como combustible para su funcionamiento, es altamente eficiente y permite el aprovechamiento de las energías renovables. Todos ellos, aspectos cruciales en el proceso de descarbonización integral del sector de la construcción:

• La electricidad como alternativa a los combustibles fósiles

La bomba de calor que consume electricidad para su funcionamiento por lo que permite reemplazar los combustibles fósiles de los edificios. Es por ello que se convierte en una tecnología ideal en el proceso de transición energética y que cubre las necesidades de calefacción y refrigeración, así como de agua caliente sanitaria.

• Menos emisiones de carbono operacional

La bomba de calor como alternativa a las calderas de gas, de gasóleo, de carbón o de otros combustibles fósiles, eliminan en el punto de consumo y de forma directa las emisiones de CO² y también de otros contaminantes.

Por otro lado, el impacto del uso de la tecnología de bomba de calor, y aún más el de la aerotermia, es mayor a medida que la red eléctrica se descarboniza porque crece la contribución solar y eólica en la generación eléctrica. En contraste con las calderas de gas que siempre dependerán de combustibles fósiles.

• Alta eficiencia energética

El rendimiento de la bomba de calor es altamente superior a otros sistemas de generación más tradicionales que funcionan mediante la quema de combustibles fósiles. Mientras que una caldera de gas tiene una eficiencia máxima de entre el 90-95%, una bomba de calor puede alcanzar rendimientos del 300, 400 o 500% (3,4 o 5 en términos de COP).

La bombas de calor funcionan trasladando calor. La aerotermia en concreto, aprovecha el calor contenido en el ambiente exterior en invierno y lo disipa en él en verano, por lo que sólo emplea una pequeña cantidad de electricidad para el funcionamiento del compresor.  Generalmente entre un 20-30% de la energía total que proporcionan. En este sentido el rendimiento energético permite ceder varias unidades de calor por cada unidad de electricidad consumida, reduciendo así el consumo de energía primaria y las emisiones de carbono asociadas. Traducido a números, una bomba de calor produce 3,4 o 5 kW por cada 1 kW de electricidad que consume.

• Aprovechamiento de fuentes de energía renovable

La bomba de calor en general es una tecnología que permite aprovechar el calor presente en el aire, el agua y la tierra, fuentes de energía renovable. Así distinguimos entre aerotermia (aire-aire y aire-agua, geotermia (tierra-aire y tierra-agua) e hidrotermia (agua-agua).

Las bombas de calor aire-aire son los equipos de expansión directa, en el que un refrigerante se expande o se condensa para intercambiar calor.  En cambio, las bombas de calor aire-agua, conocidas popularmente como aerotermia, incluyen un circuito intermedio de agua. Funcionan igualmente con refrigerante, pero que sirve para ceder calor al agua del circuito de calefacción o del agua caliente sanitaria.

La aerotermia destaca porque aprovecha las fuentes de energía renovable como fuente o sumidero de calor. Esta propiedad la convierte en una solución altamente eficiente y de baja huella de carbono para la climatización en los edificios. Para el cumplimiento de la sección DB HE4 del CTE, en el caso de las bombas de calor para producción de ACS y/o climatización de piscinas, sólo se considera su contribución renovable, cuando su rendimiento medio estacional es superior a 2,5 (accionamiento eléctrico).

• Permite la integración de otras energías renovables en los edificios

El hecho de que la bomba de calor consuma electricidad, permite la integración de otras energías renovables en los edificios.

Este es el caso de la solar fotovoltaica integrada en los edificios, en sus cubiertas y/o en sus fachadas o la energía eólica, ya sea mediante pequeñas instalaciones (mini eólica) o integrada en la red a gran escala.

Por otro lado, la bomba de calor de aerotermia se puede combinar con la producción de agua caliente mediante la instalación de paneles solares térmicos en la cubierta de los edificios. Una sinergia altamente potente especialmente para la producción de agua caliente sanitaria, y en menor medida, para el apoyo a la calefacción.

• Contribuye a la flexibilidad de los edificios

La bomba de calor funciona con electricidad por lo que puede programarse (automatizarse) o vincularse a un sistema de gestión inteligente. Esta cualidad permite que la bomba de calor opere cuando la demanda eléctrica de la red es menor e incluso cuando la generación renovable es mayor. Con ello se consigue almacenar calor en los edificios en forma de calor o de frío, por ejemplo, en depósitos de agua. Esta capacidad de almacenamiento de calor permite, por un lado, evitar la sobrecarga de la red en momentos de alta demanda, y por otro, integrar energías renovables intermitentes en los edificios. 

Cómo se integra la aerotermia en los edificios teniendo en cuenta las tres premisas clave para alcanzar el objetivo de neutralidad climática en 2050

El informe ve la aerotermia como una tecnología fundamental porque permite la descarbonización de la calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria a través de la electrificación eficiente, el aprovechamiento de energía renovable ambiental y la integración del edificio en un sistema energético más limpio y flexible.

La aerotermia es una solución versátil que puede cubrir los tres principales servicios térmicos de un edificio de manera eficiente:

• Agua Caliente Sanitaria (ACS)

La aerotermia puede calentar el agua para uso sanitario y almacenarla en un depósito acumulador. Esto se puede hacer de forma integrada en la misma unidad o a través de un módulo específico para ACS.

• Calefacción

En invierno, la bomba de calor extrae calor del aire exterior y lo transfiere al agua del circuito de calefacción del edificio. Esta agua caliente puede alimentar a un suelo radiante, proporcionando un calor uniforme y de baja temperatura, ideal para la aerotermia. También puede alimentar a radiadores de baja temperatura, diseñados para trabajar con temperaturas de agua más bajas que los radiadores convencionales, y a fancoils, unidades terminales que distribuyen el calor al aire interior.

• Refrigeración

En verano, el ciclo de la bomba de calor se invierte. La unidad interior extrae el calor del agua del circuito, enfriándola, y lo disipa en el aire exterior. El agua fría puede distribuirse a través de suelo refrescante o fancoils para enfriar el ambiente interior. 

Combinación de la aerotermia con otras tecnologías renovables en Zero-Carbon Building

El informe Achieving Zero-Carbon Buildings: Electric, Efficient and Flexible promueve este tipo de soluciones integradas y eficientes que aprovechan múltiples fuentes de energía renovable para maximizar la descarbonización y la eficiencia energética en los edificios.

Combinación de aerotermia y energía solar térmica

En este sentido, y como se ha comentado anteriormente, la aerotermia se puede combinar con otras tecnologías renovables. A continuación, repasamos cómo funciona la aerotermia cuando se combina con la solar térmica y la solar fotovoltaica y cuáles son sus beneficios.

En un sistema combinado de aerotermia y paneles solares térmicos, se optimiza la producción de calor de manera más sostenible. La aerotermia actúa como un apoyo o sistema de refuerzo para el agua caliente o la calefacción que no puede ser cubierta íntegramente por la solar térmica.

Funcionamiento del sistema híbrido aerotermia y solar térmica

La función principal de los paneles solares térmicos colectores consiste en precalentar el agua caliente sanitaria, aumentando la temperatura del agua que se almacena en el acumulador y que puede ser consumida directamente. Estos paneles se instalan en la cubierta del edificio o en una zona con exposición solar. El fluido que circula por los colectores, absorbe la radiación solar y se calienta. Dicho fluido caliente se transporta a un acumulador de agua caliente en el interior del edificio, donde transfiere su calor al agua sanitaria mediante un intercambiador. La aerotermia, como ya se ha comentado, extrae energía del aire exterior y lo transfiere al circuito de agua caliente mediante un refrigerante que circula por un circuito.

La aerotermia, en cambio, interviene cuando la energía solar no es suficiente para alcanzar la temperatura deseada. Esto puede ocurrir en días nublados, en invierno o cuando aumenta la demanda de agua caliente. En este caso, la aerotermia tiene que realzar un menor esfuerzo energético para calentar el agua hasta la temperatura deseada puesto que recibe el agua previamente calentada.

Por otro lado, aunque la solar térmica puede contribuir directamente a la calefacción, su eficiencia para este fin puede ser menor en invierno debido a la baja radiación solar. Sin embargo, puede precalentar el agua del circuito de calefacción o del depósito de inercia, aliviando la carga de trabajo de la aerotermia, que es la principal proveedora de calor para la calefacción.

Beneficios del sistema híbrido aerotermia y solar térmica

La combinación de ambas tecnologías permite aprovechar al máximo la energía gratuita del sol para el calentamiento del agua, y la aerotermia, siendo ya de por sí muy eficiente y renovable, se encarga de la parte restante de forma optimizada, contribuyendo así a los pilares de electrificación, eficiencia y flexibilidad. Los beneficios son los siguientes:

 

Maximización de la eficiencia energética

 

Al recibir agua ya precalentada por el sol, y tener que elevar la temperatura del agua en menos grados, la aerotermia funciona de manera más eficiente y con un COP más alto, consumiendo menos electricidad

Reducción de la huella de carbono

La solar térmica no produce emisiones en absoluto, y la aerotermia, al ser eléctrica se beneficia de la descarbonización progresiva de la red eléctrica, llevando las emisiones operativas a casi cero.

Mayor autonomía energética

Esta combinación híbrida utiliza dos fuentes de energía renovable, el sol y el calor del aire, minimizando la necesidad de combustibles fósiles o de la red eléctrica, y, por lo tanto, aumentando la robustez y resiliencia de los sistemas de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria.

Optimización del consumo energético

La combinación asegura que la energía más barata y limpia, que es la solar en este caso, se use primero, y que la energía eléctrica de la aerotermia se utilice de la manera más eficiente posible.

Combinación de aerotermia y energía solar fotovoltaica

La combinación de aerotermia y solar fotovoltaica es una de las soluciones más ejemplares para los edificios de carbono cero, ya que logra la electrificación de forma altamente eficiente, aprovecha al máximo la energía renovable in situ y permite una gestión energética inteligente que beneficia tanto al edificio como a la red eléctrica descarbonizada.

Funcionamiento del sistema híbrido aerotermia y energía solar fotovoltaica

El funcionamiento es el siguiente. Los paneles fotovoltaicos se instalan en la cubierta o en otras superficies del edificio. Estos paneles captan la radiación solar y la convierten en corriente continua, que luego se transforma en corriente alterna apta para el consumo doméstico mediante un inversor. Esta electricidad generada se utiliza para cubrir las necesidades eléctricas del edificio: calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria, electrodomésticos, iluminación, etc.

La bomba de calor aerotérmica es un equipo eléctrico que extrae calor del aire exterior para calentar agua para calefacción y/o para producir agua caliente sanitaria. En modo reversible, también puede proporcionar refrigeración (equipos multitarea). Por otro lado, la aerotermia es extremadamente eficiente en su consumo eléctrico, ya que por cada unidad de electricidad que consume, transporta varias unidades de calor.

Beneficios del sistema híbrido aerotermia y energía solar fotovoltaica

La clave de la combinación es que la electricidad generada por los paneles solares fotovoltaicos se utiliza para alimentar directamente la bomba de calor aerotérmica. Esto crea un circuito de energía renovable altamente eficiente dentro del propio edificio, que aporta múltiples beneficios:

Máxima descarbonización operativa

La aerotermia elimina la combustión de combustibles fósiles. Al ser alimentada por electricidad generada in situ por paneles solares fotovoltaicos, la fuente de energía de la bomba de calor es 100% renovable y libre de emisiones durante su funcionamiento. Esto lleva el edificio a un estado de cero emisiones operativas para calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria.

Incluso si la producción fotovoltaica no cubre el 100% de la demanda de la bomba de calor y se recurre a la red, el informe destaca que la red eléctrica global se está descarbonizando progresivamente, por lo que el impacto en emisiones sigue siendo mínimo.

Alta Eficiencia Energética

Combina la alta eficiencia de la aerotermia (que produce mucho más calor del que consume en electricidad) con la generación de electricidad renovable de la fotovoltaica. Esto reduce drásticamente las facturas de energía y la demanda total de energía del edificio.

Aumento del autoconsumo y la independencia Energética

La energía producida por la fotovoltaica se consume directamente en el edificio (autoconsumo), reduciendo la dependencia de la red eléctrica y, por ende, de su variabilidad de precios y composición energética. Esto contribuye a la resiliencia energética del edificio.

Flexibilidad y gestión inteligente de la demanda

El informe subraya la importancia de los edificios como activos flexibles en un sistema de energía limpia. La combinación de aerotermia y fotovoltaica permite optimizar el uso de energía. Primero almacenando calor en un depósito de agua, de agua caliente sanitaria o de inercia para calefacción, durante las horas de mayor generación eléctrica con los paneles y de forma programada, para su uso posterior. Por otro, al maximizar el autoconsumo, se reduce la presión sobre la red eléctrica en periodos punta.

Simplicidad y reducción de la complejidad del Sistema

Ambas tecnologías se basan en la electricidad, lo que simplifica la infraestructura energética del edificio al no requerir circuitos de gas u otros combustibles. 

Conclusiones

El informe Achieving Zero-Carbon Buildings: Electric, Efficient and Flexible, subraya la urgencia de descarbonizar el sector de la construcción, responsable de un tercio de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Con todo ello, propone una estrategia triple para lograr edificios con cero emisiones de carbono para 2050: que sean eléctricos, eficientes y flexibles en su uso de la energía.

En línea con dicha estrategia, la bomba de calor, especialmente la aerotermia, se presenta como una tecnología clave en esta transición por varios motivos:  permite reemplazar los combustibles fósiles, reducir las emisiones operacionales gracias a su alta eficiencia y aprovechar fuentes de energía renovable como el calor del aire ambiente. Además, es una tecnología que facilita la integración con otras renovables como la solar fotovoltaica o térmica. Contribuye por lo tanto a la flexibilidad del edificio al permitir la gestión inteligente del consumo eléctrico y el almacenamiento de calor o frío.

En conclusión, el informe ve la aerotermia como una solución fundamental y versátil para calefacción, refrigeración y ACS, que maximiza la descarbonización y la eficiencia energética al combinarse con otras tecnologías renovables.