Una bomba de calor es una máquina térmica, sujeta por tanto a las leyes de la termodinámica, que transfiere el calor desde un foco frío a otro caliente con una gran eficiencia. La ventaja que poseen las bombas de calor frente a otros sistemas reside en su capacidad para aprovechar la energía existente en el ambiente (foco frío), tanto en el aire como en el agua o en la tierra, para acondicionar las dependencias interiores (foco caliente) con una aportación relativamente pequeña de trabajo en forma de energía generalmente eléctrica.
Para ello, la bomba de calor utiliza un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado que, gracias a la existencia de dos focos a diferente temperatura, transporta el calor del medio ambiente a un habitáculo a acondicionar, servicio o aplicación industrial, con la particularidad de invertir el flujo natural de calor, de modo que fluya desde una temperatura más baja a otra más alta. Esto es posible al disponer del trabajo adicional realizado por el compresor
Figura 1: Principio de funcionamiento de la bomba de calor
- El calor fluye naturalmente del foco caliente al frío
- Una bomba de calor mueve este en la dirección contraria
Ciclo de la bomba de calor
El principio de funcionamiento, como indica la figura 2, puede sintetizarse en cuatro etapas diferenciadas:
Figura 2: Bomba de calor de compresión mecánica accionada por motor eléctrico.
1. Compresión: en el primer paso se comprime un fluido refrigerante. En ese proceso, la energía eléctrica consumida por el compresor se transforma en calor transmitido al refrigerante al elevar el mismo tanto su presión como su temperatura, aumentando por tanto su entalpía (cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno).
2. Condensación: este fluido caliente se hace pasar por el condensador. En este intercambiador de calor, el fluido cede su calor al llamado foco caliente y al enfriarse se produce la condensación del refrigerante, pasando de estado gaseoso a estado líquido (proceso exotérmico).
3. Expansión: a continuación, se hace pasar el fluido, todavía a presión, por una válvula de expansión, que consiste en un dispositivo que genera una gran pérdida de carga por lo que se produce una reducción de presión isoentálpica del fluido desde la presión de condensación hasta la presión de entrada en el evaporador, reduciéndose por lo tanto la temperatura del fluido.
4. Evaporación: finalmente, el fluido pasa por otro intercambiador, situado en la fuente fría, y llamado evaporador en el que se produce un cambio de fase endotérmico, donde el refrigerante se evapora absorbiendo calor de nuevo, para volver a reiniciar el ciclo en el compresor.
Clasificación de la bomba de calor
En la figura 3 se representa un esquema de funcionamiento con los distintos medios que pueden actuar como focos frío o caliente. La bomba de calor puede utilizar energía almacenada en forma de calor bajo la superficie de tierra sólida, energía geotérmica; en el aire ambiente, energía aerotérmica; o en las aguas superficiales, energía hidrotérmica.
Figura 3: Esquema de funcionamiento de una bomba de calor y los focos fríos para calefacción.
Clasificación de bombas de calor en función del tipo de medio
En función del tipo de medio con el que la bomba de calor intercambia calor con el exterior (aire, agua o tierra); así como del medio al que se transfiere el calor de la máquina térmica (aire o agua), se pueden clasificar las bombas de calor de la siguiente manera:
- Bomba de calor aire-aire.
- Bomba de calor aire-agua.
- Bomba de calor agua-aire.
- Bomba de calor agua-agua.
- Bomba de calor tierra-aire.
- Bomba de calor tierra-agua.
Por ejemplo, una bomba de calor en una vivienda suele ser del tipo aire-aire, tomando el calor del aire exterior para cederlo al interior de la vivienda mediante un simple intercambiador de aire, mientras que si dicha vivienda tuviese suelo radiante sería de aire-agua, ya que el intercambio dentro de la vivienda se realizaría a través de dicho suelo radiante. Y si además el calor exterior se tomase del terreno bajo la vivienda, en lugar del aire exterior, tendríamos una bomba de calor agua-agua, con aprovechamiento de la energía geotérmica.
La figura 4 muestra un ejemplo de los flujos energéticos existentes en una bomba de calor. Como puede observarse, una parte significativa de la energía utilizada por la bomba de calor proviene del medio ambiente exterior, razón por la cual los índices de eficiencia de las bombas de calor son superiores a la unidad.
Figura 4: Flujos de energías en una bomba de calor.
El compresor de una bomba de calor
El compresor es uno de los equipos principales de una bomba de calor y es el encargado de elevar la presión del vapor refrigerante desde la presión de aspiración a la de descarga. Los compresores pueden clasificarse como abiertos, semiherméticos o herméticos según sea la disposición del motor respecto al compresor. De acuerdo al mecanismo interno de la compresión, los más destacados son los compresores de desplazamiento positivo entre los cuales se encuentran los compresores alternativos (figura 5.a), que cada vez tienden a usarse menos; rotativos (figura 5.b), empleados frecuentemente, y especialmente en bombas de no elevada potencia; tipo scroll, cuyo rendimiento es el más elevado siendo posible su uso en un amplio margen de potencias y que se están imponiendo en el mercado actual; y de tornillo, utilizados en bombas de calor de gran potencia (>100 kW).
Figura 5.a: Sección de compresor alternativo.
Figura 5.b: Ejes de un compresor rotativo.
Bombas de calor reversibles
Actualmente son una amplia mayoría dentro del parque de bombas de calor en España los equipos correspondientes a bombas de calor reversibles. Este proceso reversible permite el funcionamiento de la bomba de calor, tanto en modo calefacción como en modo refrigeración, circulando el gas refrigerante en un sentido u otro, y por consiguiente, invirtiendo el flujo de calor entre el interior y el exterior. Para ello se requiere de un dispositivo auxiliar, denominado válvula de cuatro vías, gracias a la cual es posible la reversibilidad en los equipos de calor, además del funcionamiento de deshielo si se emplea este sistema.
Como se observa en la figura 6, la disposición y los componentes son los mismos, variando por tanto el funcionamiento de los intercambiadores de calor, con la inversión del ciclo gracias a la válvula de cuatro vías. En la figura de la izquierda, se aprecia el ciclo de calefacción, donde el intercambiador interior actúa como condensador y el exterior lo hace como evaporador.
En modo refrigeración, haciendo uso de una electroválvula auxiliar, desplaza el sentido dentro de la válvula de cuatro vías, invirtiendo el ciclo. A consecuencia de ello, el intercambiador interior actúa como evaporador, siendo el exterior el que funciona como condensador.
Figura 6: Esquemas de funcionamiento de una bomba de calor reversible.
En la figura 7 se visualiza el funcionamiento de una bomba de calor reversible desde el punto de vista del usuario. En modo refrigeración, la unidad interior refrigera el aire de un local y para ello es necesario que la unidad exterior transmita calor al exterior. Por el contrario, en el funcionamiento en modo calefacción, para calentar el aire de un local con la unidad interior, es necesario que simultáneamente la unidad exterior capte calor del exterior.
Figura 7: Esquemas nemotécnicos de los modos de calefacción y refrigeración.
Eficiencia energética en las bombas de calor
La eficiencia de una bomba de calor se mide a través de su coeficiente de prestación, COP1 (Coefficient of perfomance). Este coeficiente se calcula como la relación existente entre la energía térmica cedida por el sistema (Q) y la energía absorbida por el compresor (W) en unas condiciones específicas de temperatura y con la unidad a plena carga.
COP = Q/W
En la figura 8 se observa, a modo de ejemplo, cómo en una bomba de calor agua-agua con intercambio geotérmico, son normales ratios elevados: la demanda térmica de un edificio (Q = 4 kWt, en azul) se obtiene en sus tres cuartas partes del intercambio energético con el terreno (3 kWt, en verde) y la otra tercera parte (W = 1 kWt) es la energía eléctrica consumida por el compresor de la bomba de calor. Así tenemos un valor de 4 para el COP de la bomba de calor:
COP = Q/W = 4kWt / 1kWt = 4
Por lo que en este ejemplo, del total de la energía necesaria para climatizar el edificio solo la cuarta parte proviene de la energía eléctrica.
Figura 8: Balance energético en la bomba de calor.
Eficiencia energética en modo refrigeración para las bombas de calor
Funcionando en modo refrigeración, la eficiencia de la bomba se mide a través del EER (Energy Efficiency Rating) en lugar de COP. El EER es la relación existente entre la energía térmica absorbida por el sistema y la energía utilizada por el compresor en unas condiciones específicas de temperatura y con la unidad a plena carga.
El rendimiento en condiciones de funcionamiento para este tipo de tecnología, varía dependiendo de las condiciones del foco caliente y del foco frío, por lo que es necesario establecer el concepto de rendimiento medio estacional (SPF) en una bomba de calor. La Decisión de la Comisión de 1 de marzo de 2013 lo define de la siguiente forma:
«SPF: factor de rendimiento medio estacional estimativo, que se refiere al “coeficiente de rendimiento estacional neto en modo activo” (SCOPnet), en el caso de las bombas de calor accionadas eléctricamente, o a la “relación estacional neta de energía primaria en modo activo” (SPERnet), en el de las bombas de calor accionadas térmicamente.»
Usos de la bomba de calor
Hay que mencionar finalmente que los usos dados a las bombas de calor dependen en buena medida del sector de utilización. Así, para las viviendas y los sectores de servicios, las aplicaciones más extendidas son la climatización de habitáculos, es decir, su calefacción y refrigeración, la generación de agua caliente sanitaria y la climatización de piscinas. Por lo que respecta al sector industrial, además de las aplicaciones en climatización de locales, existe potencial de utilización en procesos de secado y destilación, así como para el calentamiento de agua