Bombas de calor

En una bomba de calor se combina la refrigeración y la calefacción en una sola máquina térmica. En invierno obtiene el calor de una medio a baja temperatura (el exterior) y lo transfiere a otro que está a mayor temperatura (interior). En verano realiza el ciclo habitual de una enfriadora, trasladando el calor de un foco a baja temperatura (el lugar que quieres climatizar) a un foco de alta temperatura (el exterior del edificio).

Para las bombas de calor se suele hablar de unidad exterior y unidad interior en lugar de condensador y evaporador, ya que actúa según las condiciones exteriores.

Lo interesante de la bomba de calor es que la cantidad de energía consumida en hacer funcionar el compresor es pequeña respecto a la energía desprendida por el condensador hacia el lugar o estancia que hay que calentar. Comparando la potencia suministrada al compresor con la energía de la calefacción eléctrica por efecto Joule, la bomba de calor suministra 4 veces más calor útil, con el ahorro energético que eso supone.

Elementos que componen una bomba de calor

Condensador

Intercambiador de calor en el que el refrigerante que viene del compresor en forma de vapor cede calor a un medio (aire o agua). Este enfriamiento produce la condensación del refrigerante y su transformación a líquido.

Se clasifican según el medio al que ceden energía:

• Enfriados por aire: tubos de cobre con aletas de aluminio para facilitar la transmisión de calor. Estas baterías tienen ventiladores para forzar la circulación del aire a calentar.
• Enfriados por agua: Se usa el agua como elemento al que cede el calor.

Válvula de expansión

Elemento que separa el lado de alta presión de la de baja. Su objetivo es regular el flujo refrigerante hacia el evaporador y reducir la presión. Principalmente existen tres tipos:

• Tubo capilar.
• Válvula a presión constante o automática.
• Válvula termostática.

Evaporador

Intercambiador de calor donde el fluido refrigerante en estado de vapor húmedo, después de la expansión, absorbe el calor del medio (aire o agua) para cambiar al estado líquido.

Compresor

Elemento que necesita consumir para su funcionamiento energía mecánica que puede ser aportada por un motor eléctrico o de gas.

Su función es aumentar la presión del refrigerante en estado gaseoso, procedente del evaporador hasta una presión que transforme ese gas a líquido.

Según como se acople el motor con el compresor existen diferentes tipos:

• Herméticos: Motor y compresor en el mismo eje y envolvente. Para potencias menores de 70 kW
• Semiherméticos: Mismo eje. Parte del calor generado por el motor se recupera en el refrigerante.  Para potencias medias.
• Abiertos: Motor y compresor independientes y acoplados por correas. Se usa en grandes instalaciones.

Accesorios

Existen otros accesorios que acompañan a la bomba de calor para que su circuito refrigerante se mantenga en un estado óptimo. Se clasifican en función de la presión de la zona donde se encuentren.

En una instalación de aire acondicionado existen dos zonas principales según el estado en el que se encuentre el refrigerante:

• Zona líquida o de alta presión.
• Zona gas o de baja presión.

En la zona de alta presión se encuentran los siguientes elementos:

• Silenciador de descarga: amortigua el ruido a la salida del compresor.
• Amortiguador de vibraciones: reductor de vibraciones del sistema de tuberías de la red.
• Recipiente de líquido: acumulador del líquido de refrigeración.
• Purgador: usado para expulsar el aire del circuito refrigerante.
• Filtro deshidratador: elimina la humedad del circuito de refrigeración.

En la parte de baja presión destacan:

• Filtro de aceite: filtro para limpieza del aceite que vuelve al compresor.
• Separador de líquido: elimina las gotas de fluido refrigerante para que el compresor solo entre gas.
• Acumulador de líquido: evita el golpe de ariete en el compresor.
• Resistencia eléctrica del carter: resistencia eléctrica en el compresor para que evitar la mezcla del aceite de su carter con líquido refrigerante, circunstancia que ocurre con temperaturas exteriores bajas.
• Separador de aceite: mantiene el nivel de aceite del compresor y que se introduzca en el compresor o evaporador.
• Economizador de calor: intercambiador de calor a la salida del evaporador y del condensador que aumenta el rendimiento de la bomba de calor.
• Válvula solenoide: sirve de control del la cantidad de refrigerante que va al evaporador mediante un control eléctrico compuesto por una bobina solenoide.
• Válvula de retención: elementos que permiten la circulación de un fluido solo en un sentido. Se usan para evitar retornos indeseados.

Válvula de 4 vías

Para la transformación del circuito refrigerante es necesario una válvula inversor de cuatro vías. Se trata de un elemento electromecánico con dos piezas fundamentales:

• Cuerpo: cilindro con 4 tomas para las vías de conexión.
• Elemento motriz: electroimán con una bobina que permite conectar las diferentes vías del cuerpo.

Su función es invertir el ciclo refrigerante para que el calor pueda distribuirse en el interior o en el exterior de un local.

La batería colocada en el interior de un espacio que en invierno es un condensador que cede calor cuando la válvula de 4 vías invierte el ciclo se transforma en verano en un evaporado que absorbe el calor y los expulsa al exterior.

Como elegir una bomba de calor

El aire exterior es el parámetro fundamental para determinar si es posible usar una bomba de calor como sistema de climatización. El motivo es que las condiciones interiores, en el caso de la normativa española, se encuentran fijadas por el RITE, mientras que la temperatura exterior depende de cada localización.

con el modo calefacción de la bomba de calor se puede saber si es posible usar este tipo de climatización

El descenso de la temperatura exterior disminuye la capacidad de calefacción del sistema haciendo muy complicado la instalación de una bomba de calor en lugares con temperaturas inferiores a 0ºC durante muchos días de invierno. Para zonas costeras donde las temperaturas son moderadas y estables son frecuentes, obteniendo unos buenos resultados.

En la práctica se considera que -5º C es la temperatura límite de funcionamiento

Tipos de bomba de calor

Según como sean el fluido (aire o agua) que se encuentran en los focos fríos o calientes del aire acondicionado existen diferentes clases de bombas de calor.

Aire-Aire

Muy usada en aire acondicionado doméstico puesto que su instalación es muy sencilla y se toma el aire del exterior y del interior como focos. Las unidades tipo split o partido son las más usadas en las viviendas con supervise construidas entre 60-120 m².

Se componen de una unidad interior y otra exterior con dos funcionamientos diferentes que aprovechan el cambio de fase del refrigerante:

• Verano: toma el calor del interior y lo transporta al exterior.
• Invierno: coge el calor del aire exterior y lo bombea al interior.

Aire-Agua

La bomba de calor aire-agua usa también el aire exterior y sigue teniendo las limitaciones de temperatura de exterior que las bombas aire-aire. Se usa en sistemas con un apoyo de otro sistema de calefacción o de agua caliente sanitaria.

El agua con este sistema se calienta entre 30º C y 60º C

Este sistema es adecuado en aquellos lugares donde por su rango de temperatura es necesaria la calefacción en invierno y la refrigeración en verano. Al ser usado para generara agua caliente sanitaria (ACS) su rendimiento anual es óptimo.

Agua-Aire

El calor se extrae de una fuente de agua constante, pozos o ríos y lo transfiere al circuito de aire.

Aunque el uso del agua como fuente energética tiene indudables ventajas por su COP estables por la temperatura constante de la fuente de agua, sólo se pueden instalar en edificaciones con un agua abundante muy próxima.

Agua-Agua

El sistema es similar al anterior pero la transferencia de calor es en un circuito de agua. Los inconvenientes respecto a la cercanía de fuentes de agua son similares a los del sistema anterior.

Su uso combinado con energías renovables, como la energía solar térmica, puede resultar adecuado para este sistema aunque bastante complejo

Tierra-Agua

El calor y el frío del sistema de aire acondicionado se consigue con la transferencia de calor de y hacia el suelo.

Se necesita una gran superficie para colocar la instalación enterrada, unas 4 veces la superficie del edifico a climatizar. El estudio del terreno en este tipo de sistemas es fundamental para dimensional correctamente esta tipo de bomba de calor.