Los sistemas de calefacción doméstica y ACS con bombas de calor

Las bombas de calor permiten extraer energía calorífica del aire (aerotérmicos), del subsuelo (geotérmicos) o del agua (hidrotérmicos) incluso aunque estos se encuentren a una temperatura inferior a la que necesitamos

La bomba de calor ¿que es y como funciona?

Antes de entrar de lleno con la explicación de lo que es y de cómo funciona una bomba de calor hablaremos acerca de dos fenómenos físicos que intervienen en el funcionamiento de estos dispositivos.

Diferencia entre calor y temperatura

El primer concepto del que se hablará es el de la diferencia que existe entre calor y temperatura.

-El calor es un flujo de energía que transmiten o absorben los cuerpos y que se puede medir en calorías.

-La temperatura es un indicador que sirve para medir la cantidad de calorías que un cuerpo posee.

Es importante conocer y comprender ambos conceptos, ya que no siempre un cuerpo que este a una temperatura más elevada va a tener mas energía calorífica que otro con temperatura más baja. También interviene la cantidad de masa del cuerpo.

Así por ejemplo, tendrá mucha más energía calorífica (calorías) una piscina que se encuentre a una temperatura de 35 grados centígrados que un clavo de hierro a 800 grados.

Esta al alcance de cualquiera poner al rojo vivo un clavo con sólo mantenerlo durante 5 minutos sobre una llama de un encendedor o mechero. Sin embargo si mantenemos esa misma llama durante ese mismo tiempo bajo una piscina esta no se elevará ni un solo grado centígrado. Ello es debido a que la piscina posee una masa mucho mayor que la de un clavo y será necesario mucha más energía para lograr que la piscina suba de temperatura un grado que la necesaria para lograrlo en un clavo.

La compresión y la temperatura

Otro fenómeno físico clave para comprender el funcionamiento de las bombas de calor es el relativo a la relación que existe entre la presión y la temperatura en los fluidos. Así cuando un fluido se comprime aumenta su temperatura y cuando se descomprime desciende.

Toda molécula de un fluido tiene una cierta de cantidad energía que le hace vibrar de determinada manera, más violentamente cuanta más energía tenga. El choque entre una molécula y otra es lo que produce el calor.

Si las moléculas están muy alejadas entre sí (esta poco comprimido) tardarán mucho tiempo en chocar. produciendo poco calor. En cambio si comprimimos el fluido provocamos que las moléculas estén en un espacio menor y en su movimiento de vibración choquen más veces entre si produciéndose más calor y elevando su temperatura aunque en sentido estricto la cantidad de la energía sea la misma.

¿Como funciona la bomba de calor?

El funcionamiento de la bomba de calor se basa en la relación entre la presión y la temperatura.

La bomba de calor toma un fluido y lo comprime haciendo que su temperatura suba. Ese calor “comprimido” se extrae entonces para calentar la sustancia que nos interese ya sea aire o agua.

Otros sistemas emplean fluidos que al comprimirse cambian de estado y absorben calor (calor latente) para luego volver a su estado original y liberarlo donde se quiere que caliente a otro fluido

El fluido el cual se ha comprimido y del que se ha extraído parte de su calor baja su temperatura. Esta temperatura baja aún más en el momento en que se descomprime a un punto muy por debajo de la que tenía antes de ser comprimido. De esta manera se puede decir que se extrae el calor de una sustancia para dársela a otra.

ESQUEMA CONCEPTUAL BOMBA CALOR

Esquema conceptual del funcionamiento de una bomba de calor de aire
1) La bomba de calor toma el fluido frío del exterior y lo comprime elevando su temperatura 2) El fluido caliente comprimido transfiere su calor al fluido cálido interior en el intercambiador 3) el fluido comprimido y enfriado tras pasarle su calor al fluido cálido interno se descomprime y se enfría aún más, quedando más frío que el fluido del exterior.

La particularidad de la bomba de calor es que es capaz de extraer el calor de un fluido a una determinada temperatura para traspasarlo a otro medio con una temperatura mayor.

En circunstancias naturales debería ocurrir de manera totalmente opuesta, ya que el cuerpo de más temperatura cede su calor a otro de menor temperatura hasta que se alcance un total equilibrio de temperaturas entre ambos cuerpos. Esto lo comprobamos fácilmente cuando sacamos al exterior una olla cocinada al fuego para que se enfríe. La olla y su contenido al paso del tiempo tendrá la misma temperatura que el medio ambiente en el que se encuentre.

En los procesos de calefacción y ACS por bombas de calor lo que se hace es tomar la cantidad inmensa de calor que se encuentra en la atmósfera (o en el agua o en la tierra) a una temperatura baja para llevarla a un espacio reducido con poca energía pero con una temperatura mayor.

Por este método aparte de calefactar espacios también se puede, invirtiendo el proceso, refrigerarlos en este caso tomando el calor del interior para sacarlo al exterior.

-Tipos de bombas de calor

Existen distintos tipos de bombas de calor en función de la naturaleza de los fluidos entre los cuales se traspasa la energía calorífica, así, podemos encontrar los siguientes sistemas:

-Aire-aire- Pasa la energía entre dos sistemas atmosféricos (aire exterior a aire de una estancia a calentar)

-Aire-agua- Pasa la energía de un río, estanque o agua subterránea al agua de una casa (calefacción o ACS)

-Agua-aire- Pasa la energía de un río, estanque o agua subterránea al aire de un espacio a calentar

-Agua-agua- Pasa la energía del aire al agua de una casa (calefacción o ACS)

-Tierra-aire- Toma el calor del subsuelo y lo traspasa al aire de la estancia a calentar

-Tierra-Agua- Toma el calor de la tierra y la traspasa al agua de una casa (calefacción o ACS).




Sistemas de calefacción y ACS con bombas de calor

Aplicando las bombas de calor, existen varios tipos de calefacción doméstica y obtención de ACS. Los sistemas que actualmente se pueden encontrar en el mercado son:

Sistemas aerotérmicos.

Aquellos que extraen la energía que posee el aire calentado por el Sol para calefactar el interior de la casa (o para ACS). En teoría estos sistemas pueden extraer ese calor incluso de días muy fríos, pues el aire siempre posee una cierta cantidad de energía.

Esquema bomba calor aerotermica

SISTEMA AEROTÉRMICO AIRE-AGUA: 1 Bomba de calor, 2 Depósito de agua, 3 ACS (uso del agua caliente sanitaria), 4- Sistema de calefacción por suelo radiante

Se trata de un sistema relativamente económico que sin embargo puede llegar a ofrecer un rendimiento desigual a lo largo del año en zonas de clima extremado (cálido en verano, frío en invierno).

Puede no ser muy apto para lugares con clima muy frío ya que su nivel de rendimiento dependerá del calor que pueda extraer del aire externo por lo que en los días más fríos producirá una menor cantidad de calor siendo precisamente cuando es más necesario.

Ofrece la ventaja de que muchas bombas aerotérmicas tienen la posibilidad de invertir su funcionamiento extrayendo el calor del interior hacia el exterior en verano, haciendo así de aire acondicionado.

Sistemas geotérmicos-

En este caso el calor se extrae de la tierra.

La tierra mas allá de su capa más superficial ofrece una gran estabilidad térmica a lo largo del año, es por ello por lo que es una importante fuente de energía especialmente para zonas de clima riguroso en los que los sistemas aerotérmicos pueden ver muy mermado su rendimiento en los momentos más desfavorables.

En este caso se hace pasar un fluido calotransportador por el área captadora que se encuentra enterrada. Existen dos tipos fundamentales de instalaciones geotérmicas en función de la disposición del área de captación:

Sistemas geotérmicos Horizontales: El área de captación se dispone en horizontal para captar la energía del Sol que llega desde la superficie (por conducción de la radiación solar directa o por la que transporta el agua que se filtra) y la energía de la Tierra que llega desde capas más profundas.

esquema bomba calor geotermica  horizontal

Esquema de un sistema geotérmico horizontal

El área de captación se entierra entre 1/2 metro y 1,5 metros bajo la tierra.

Normalmente se necesitará un área de captación del doble de superficie de la que se quiera calefactar por lo que es necesario disponer de un espacio amplio.

Sistemas geotérmicos verticales-

Este sistema es en esencia similar a los de captación horizontal sólo que disponiendo el área de captación en vertical profundamente enterrado en la tierra entre 30 y 100 metros. Alcanzándose esta profundidad se consigue temperaturas de captación mayores. Es apto para lugares en los que no es posible disponer de las amplias áreas de captación que requieren los sistemas horizontales.

esquema bomba calor geotermica  vertical

Esquema de un sistema geotérmico vertical

La instalación de los sistemas geotérmicos verticales resulta más caro que los horizontales ya que es necesario utilizar una perforadora para alcanzar las grandes profundidades necesarias.

Puede resultar necesario solicitar permisos a las autoridades locales para poder perforar la tierra.

Sistemas hidrotérmicos

En este caso se toma la energía contenida en el agua ya sea de un río, de un estanque o de aguas subterráneas. El origen primero de la energía que emplea este sistema es la solar para las aguas que discurren por la superficie y geotérmica y solar para aquellas que están en el subsuelo.

esquema bomba calor hidrotermica

Ofrece también un excelente resultado ya que el agua es un gran portador energía calorífica. Además en los sistemas que emplean agua subterránea ésta ofrece una gran estabilidad térmica durante todo el año.

Un tipo de calefacción de este tipo se emplea en el invernadero del Real Jardín Botánico de Madrid cuya instalación esta comentada en este portal.

Rentabilidad económica y aspectos ecológicos de los sistemas de calefacción y ACS con bombas de calor

Eficiencia

Las bombas de calor necesitan energía eléctrica para funcionar, sin embargo logran generar una cantidad de energía muy superior a la que consumen. Ello es debido a que emplean la energía eléctrica para captar la energía calorífica (renovable) que está en el ambiente. Para lograr los mismos resultados con un sistema de calefacción solamente eléctrico, habría que emplear una mucho mayor cantidad de energía.

Para medir el rendimientos de estos sistemas se emplean el término COP (del inglés coefficient of performance). Este valor indica la cantidad de energía que será capaz de ofrecer el sistema por unidad de energía suministrada. Así por ejemplo en un equipo que tenga un COP de 3.4, por cada KW de electricidad que se le suministra devolverá 3.4 KW de energía en forma de calor.

El COP que suelen presentar los equipos de bomba de calor tienen como promedio un valor de 3 aunque algunos equipos ya cuentan con un COP de hasta 4.6

Aspectos ecológicos

Muchos fabricantes en sus catálogos hablan de que estos sistemas no emiten contaminantes a la atmósfera y de que son limpios.

Es cierto que es considerado como uno de los métodos de calefacción mas ahorrador y menos contaminante, sobretodo en comparación con los convencionales, ya que en torno el 75% del calor que producen tiene como origen una fuente renovable y limpia. Sin embargo estos sistemas también necesitan energía eléctrica para poder funcionar y en muchos casos esta electricidad proviene de centrales térmicas que queman combustibles fósiles y emiten CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. Lo que en realidad se hace es trasladar el foco de la contaminación de la instalación a la central donde se produce la electricidad.

Por otro lado , algunos señalan lo poco eficiente que resulta emplear la energía eléctrica para la calefacción ya que aunque los aparatos domésticos que transforman la electricidad en calor tienen un rendimiento del 100%, las centrales térmicas en la transformación del calor a energía eléctrica tienen un rendimiento de en torno el 30% ( 50% en las de última generación). Es en el proceso de conversión de calor-electricidad, para luego volver a electricidad-calor donde se pierde una gran cantidad de energía.

En caso de que la electricidad provenga de una fuente de generación renovable y no contaminante (fotovoltaica, eólica, hidráulica) entonces se puede afirmar que este sistema emitirá una contaminación nula en su funcionamiento.

Lo ideal resultaría combinar las bombas de calor, con otros métodos de calefacción netamente renovable, como puede ser la calefacción solar por suelo radiante o por aire caliente o también emplearla en casas construidas con criterios bioclimáticos donde el uso que se haga de este sistema será muy reducido.


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