La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle (2ª Parte)

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En la primera parte de este artículo hicimos una introducción a las bombas de calor y su eficiencia. En esta ocasión nos vamos a centrar en los principios básicos de funcionamiento de esta tecnología, también desde el punto de vista de la eficiencia energética.

Principios de funcionamiento de las bombas de calor

Las bombas de calor son equipos infrautilizados como medio de conservación de energía para calentar y enfriar edificios. Los componentes básicos de una bomba de calor son un fluido de trabajo o refrigerante, un compresor de gas, dos intercambiadores de calor, tuberías controles y accesorios que pueden proporcionar tanto calor como frío en el espacio de un edificio. En el modo de calentamiento, el calor es extraído de una fuente de calor natural o residual y transferido al espacio mientras que en el modo de enfriamiento, el calor se elimina del edificio y se descarga a un sumidero de calor.

Hay cuatro tipos básicos de bombas de calor, denominadas aire-a-aire, agua-a-aire, agua-a-agua, y tierra-a-aire. En un sistema de bomba de calor aire-a-aire, el calor es eliminado del aire interior y rechazado al aire exterior del edificio durante el ciclo de enfriamiento, mientras que ocurre lo contrario en el ciclo de calentamiento. El agua puede reemplazar el aire del exterior como fuente o sumidero para el calor, dependiendo de si la unidad está en modo de calentamiento o enfriamiento. Las bombas de calor aire-a-aire o bombas de calor de fuente aire son unidades sobre techo ya sea en sistemas compactos o split. Las bombas de calor de Split están diseñadas con una unidad de manejo de aire localidad en el interior del espacio acondicionado mientras que el condensador y el compresor se colocan en el exterior. Los sistemas ASHP son convenientes para climas suaves y áreas donde el gas natural no está disponible o es caro.

En las bombas de calor de fuente de agua, en vez de aire, el agua se usa para transferir el calor entre el edificio y el exterior. Las bombas de calor geotérmicas usan la energía del suelo o aguas subterráneas como fuente o sumidero. En invierno una bomba de calor geotérmica transfiere energía térmica desde el suelo para proporcionar calentamiento del espacio. En el verano el proceso de transferencia de energía se invierte. El suelo absorbe energía térmica desde el espacio acondicionado y enfría el aire del edificio. GHP se beneficia de una temperatura del suelo constante a lo largo del año, que es mayor en promedio que las temperaturas de aire del invierno y más bajas en promedio que las temperaturas de aire del verano. La eficiencia energética de una GHP es así mayor que la de ASHP convencional y algunas son más eficientes que las calderas de combustibles fósiles en modo de calentamiento. La diferencia primaria entre un ASHP y un GHP es la inversión en un bucle del suelo para captación de calor y rechazo requerido por el sistema GHP. Si GHP es o no efectiva en costes relativa a la ASHP convencional depende del ahorro de costes de energía anual de generación que deben ser bastante altos por el coste extra del bucle del suelo.

Bombas de calor de velocidad variable

Como los acondicionadores de aire centrales, las bombas de calor pueden ser más eficientes por el uso de motores de velocidad variable y dos velocidades. Comparadas con los modelos estándar, las bombas de calor de fuente aire reducen el consumo de energía aproximadamente un 27 %, las bombas de calor de fuentes de aire de velocidad variable reducen el consumo de energía en un 35 %, y las bombas de calor de fuente de energía geotérmica de dos velocidades reducen el consumo de energía en torno a un 46 %.

Bombas de calor a gas

Hasta hace poco todas las bombas de calor eran eléctricas, pero los investigadores han desarrollado bombas de calor de gas. Estos equipos utilizan bombas de calor de velocidad variable con un motor de gas natural en el que el compresor es accionado por un motor de ignición de combustión interna y el calor se recupera en el modo de calentamiento del espacio. También se han desarrollado bombas de calor que trabajan con el ciclo de absorción agua-amoniaco. Las bombas de calor a gas tienen el potencial de reducir el consumo de energía de la bomba de calor aproximadamente un 35 – 45 %

Sistema de distribución

Cuando se valora la eficiencia de un sistema de acondicionamiento de un espacio, es importante considerar la eficiencia del sistema de distribución además de la del aparato. No es raro que en conductos de distribución haya pérdidas que vayan del 20 – 40 % debidas a la conducción y a las pérdidas. Un aislamiento mejorado y un buen sellado del conducto puede reducir estas pérdidas. En general, la estrategia más efectiva para reducir las pérdidas de distribución es incluir el sistema de distribución en el espacio acondicionado de forma que las pérdidas debidas a la conducción o a las pérdidas de aire vayan directamente al espacio acondicionado. Esto requiere una cuidadosa atención en el diseño o en el proyecto de reforma.

El sistema de bomba de calor asistido por energía solar

Un colector solar puede mejorar el rendimiento en sistemas de aire o líquido, pero añade complejidad y gasto. El calor solar a baja temperatura aplicado a un lado del sistema de bomba de calor evapora el líquido de refrigerante de baja presión. El compresor luego eleva la presión y la temperatura del vapor, que cuando se condensa, transmite calor una temperatura más alta. Cuando esta diferencia de temperatura es menor que 20 ºC, una bomba de calor puede proporcionar calor a 40 – 46 ºC con un COP de alrededor de 3.5.

Los sistemas de bombas de calor asistidos por energía solar pueden ser de varios tipos. Un tipo usa líquido en el bucle del colector solar, agua de almacenamiento, y una bomba de calor agua-a-agua. Otro tipo usa una bomba de calor aire-a-aire en conjunción con intercambiadores de calor líquido-a-aire y un bucle de colector solar líquido. Aunque las bombas de calor asistidas por energía solar se usan normalmente solo para calentamiento, el concepto de una enfriadora de recuperador de calor, condensador de doble tubo, asistida por energía solar, puede incluirse en esta categoría de bomba de calor. En verano, este sistema operaría como una estación central convencional, un sistema de aire acondicionado de agua fría; sin embargo, puede también operar por la noche bajo las condiciones ambientales más favorables y con tarifas de energía reducidas y almacenar el frío en un depósito de almacenamiento. En invierno, el calentamiento solar, crearía una carga en el evaporador de la enfriadora. Este sistema, conveniente para grandes edificios, tiene las ventajas de una bomba de calor sin las complicaciones asociadas con las características de los ciclos reversibles.

Las bombas de calor realzan la eficiencia y disminuyen los costes del sistema de energía solar permitiendo a los colectores operar a temperaturas de fluido bajas con la bomba de calor impulsando las temperaturas del aire o agua para su reparto al espacio a temperaturas de 40,5 – 46 ºC. El sistema de calentamiento del espacio debe diseñarse para bajas temperaturas de utilización bajas. En grandes edificios la bomba de calor siempre utilizan el agua de calentamiento solar como fuente de calor para mantener COP y capacidad altos. Se requiere un análisis computerizado para optimizar el modo de operación, colector y tamaño de almacenaje, número de recipientes de almacenaje, y secuencia de control. En algunos casos puede ser más eficiente usar toda el agua caliente calentada por el sol a temperatura baja como fuente para la bomba de calor.

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