16 marzo 2011

La tecnología de bombas de calor y su eficiencia en detalle (V)



Fuente de calor de fuente de aire

Ver Parte IV

Continuando con la eficiencia de las bombas de calor vamos a dedicar un artículo a la descripción técnica de esta tecnología.

Descripción de la tecnología

El principio de las bombas de calor se basa en la primera ley termodinámica, según la cual la energía puede transferirse al sistema por calentamiento, compresión, o añadiendo materia, y extraída del sistema por enfriamiento, expansión, o extracción de materia.  Esto significa que el calor puede crearse de una fuente fría y viceversa cuando se aplica energía externa al sistema original. En último término puede extraerse calor de cualquier materia que está a una temperatura por encima del cero absoluto ( - 273.15 ºC).

En esta capacidad las bombas de calor pueden operar como sistemas de calor o de enfriamiento, expandiendo o contrayendo sustancias, o ambas.

Hay tres tipos básicos de bombas de calor:
  • Bombas de calor de fuente de aire.
  • Bombas de calor de absorpción.
  • Bombas de calor geotérmicas.
Bombas de calor de fuente aire

Una bomba de calor de fuente aire utiliza el aire exterior para calentar o enfriar un edificio. Cuando se utiliza para calentar un edificio esto se logra mediante la transferencia de calor al interior desde el aire exterior, y cuando se utiliza para enfriar un edificio esto se logra mediante la transferencia de calor desde el interior hacia el aire exterior. Para lograr la transferencia de calor en cualquier dirección, las bombas de calor de fuente de aire utiliza un sistema que incluye un cambiador de calor, un compresor y un medio para transferir el calor de un área a otra, por ejemplo, tubos que se han llenado con refrigerante.

El proceso de calentamiento se inicia con un refrigerante frío que se mueve al exterior donde se calienta por una combinación de aire exterior que salgan por un ventilador en bobinas de refrigerante, y un compresor que aumenta aún más la temperatura a través de la compresión del refrigerante. El refrigerante calientado se mueve en el interior dondee pasa a través de otro conjunto de bobinas de refrigerante (serpentines de calefacción), donde otro ventilador extrae el calor de las bobinas al soplar aire sobre ellas. El aire caliente puede ser distribuido sobre el edificio a través de conductos de aire. Por último, el refrigerante pasa a través de una válvula de expansión para enfriarlo y comenzar el ciclo de nuevo.

El proceso de enfriamiento es prácticamente la inversa del proceso de calentamiento, donde una válvula de inversión cerca del compresor cambia la dirección del flujo de refrigerante.
La eficiencia de las bombas de calor de fuente de aire es generalmente más alta que la de las calderas tradicionales y la calefacción eléctrica, lo que significa que a largo plazo cubrirá su inversión.

Las bombas de calor de fuente de aire funcionan ​​por electricidad, y existen sistemas que funcionan con paneles solares, ambas tecnologías limpias y eficientes energéticamente.

Bombas de calor por absorción


Las bombas de calor por absorción trabajan de forma similar a las bombas de calor de fuente aire, pero en lugar de utilizar la electricidad para comprimir un refrigerante, utilizan agua caliente generada a partir de captadores solares, recursos geotérmicos o gas natural en combinación con una bomba de absorción y una bomba de presión. La bomba de absorción absorbe amoniaco o bromuro de litio en agua. Esta mezcla se presuriza por una bomba de presión. El bromuro de amoniaco o litio es vaporizado en el agua por el calor del agua caliente la creando calor que puede ser utilizado en el interior. Sin embargo, a diferencia de las bombas de calor de fuente de aire, las bombas de absorción de calor no son reversibles.

Bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas utilizan la temperatura constante que existe en el subsuelo o en un cuerpo de agua, por ejemplo, un estanque, para transferir calor o frío a un edificio. Esto se logra mediante la transferencia de calor o frío desde debajo de la tierra a través de tubería subterránea que contiene un refrigerante. Existen diversas variaciones de esta configuración, incluyendo:

  • Intercambio directo
  • Bucle cerrado: Vertical, Horizontal  y Estanque
  • En bucle abierto: Fuente de columna vertical
Intercambio directo

El sistema de intercambio directo es el más simple, más eficiente y menos costosa. Se trata de una bomba de calor que hace circular un refrigerante a través de tubos de cobre subterráneo, donde el calor se transfiere desde el suelo hasta el refrigerante a través de la tubería de cobre. Aunque este sistema está limitado por la conductividad térmica del suelo, puesto que no requiere mecanismos adicionales, por ejemplo, la bomba de agua y un intercambiador de calor, ello hace que la eficiencia energética en general sea muy alta.

Bucle cerrado

El sistema en bucle cerrado consiste en dos conjuntos de tuberías, una que contiene agua y anticongelante y pasa por debajo de la tierra para absorber el calor y la transferencia a través de un intercambiador de calor a la segunda pipa que contiene refrigerante y está en contacto con la bomba de calor que distribuye el calor en todo el edificio. Este sistema también requiere una bomba de agua para mover el agua y anticongelante bajo el suelo. El nombre "bucle cerrado" viene del hecho de que los líquidos en los dos sistemas de tuberías se mantienen contenidos, sin renovarse, es decir, están continuamente reutilizándose.

Las variaciones en bucle cerrado incluyen la distribución de las tuberías subterráneas ya sea verticalmente, horizontalmente o bajo el agua. Determinar qué método es mejor dependiendo de factores tales como coste, disponibilidad de tierra, geología subterránea y la proximidad al agua. La configuración horizontal es más barata que la vertical, pero requiere más tierras y los ambientes húmedos son mejores para la transferencia de calor.

Bucle abierto

Una bomba de calor de bucle abierto funciona como un sistema de circuito cerrado en el que utiliza dos circuitos de tubería con un intercambiador de calor. La diferencia está en el bucle subterráneo, que, en lugar de volver a utilizar el mismo líquido, el agua tiene acceso de una fuente subterránea o estanque. En este caso el agua se renueva continuamente durante todo el ciclo. Un sistema de bucle abierto sólo es práctico donde hay un acceso fácil al agua. Problemas con este tipo de sistema incluyen la contaminación tuberías con minerales en el agua, y también la posibilidad de que tal sistema puede agotar o contaminar los acuíferos o pozos naturales.

Economía

La economía de las bombas de calor no es sencilla por varias razones. entre ellos:
  • Variaciones en los precios competitivos de la energía convencional  
  • Mal diseño e instalación del sistema  
  • Factores climáticos  
Sin embargo, si se diseña correctamente un sistema de bomba de calor será uno de los sistemas de calefacción más eficientes y eficaces, con un mínimo coste de mantenimiento anual y una vida útil de entre 25 y 200 años. Los sistemas de bomba de calor suelen pagarse por sí mismas en 1 a 10 años (dependiendo del tipo de sistema), convirtiéndolas en una inversión muy buena. 

Debido a la complejidad de la selección e instalación de un sistema de bomba de calor, se recomienda que todo el proceso se realica en colaboración con expertos experimentados.
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