¿Qué es y funcionamiento de una bomba 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 un 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 o bombas térmicas 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.

Por lo tanto su eficiencia energética es muy elevada. Pudiendo sustituir al gas natural y proporcionar calefacción y ACS (agua caliente).

Desarrollemos que es la bomba de calor en un aire acondicionado.

Bombas de calor funcionamiento

Una bomba de calor es eficiente en términos energéticos porque no genera calor, sino que simplemente transfiere el calor de un lugar a otro utilizando un ciclo de refrigeración.

El funcionamiento de una bomba de calor se basa en la transferencia de calor de un lugar a otro utilizando un refrigerante.

Esto la hace una opción eficaz para la climatización de espacios.

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 de la bomba de calor

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 bombas térmicas

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 de las bombas térmicas 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 y una alta eficiencia energética.

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

Una bomba de calor que es demasiada pequeña para sus necesidades tendrá dificultades para mantener su hogar cómodo. Por otro lado, una unidad sobredimensionada costará más, y si no es un modelo de velocidad variable, se encenderá y apagará con más frecuencia de lo necesario.

Esto disminuye la eficiencia, estresa los componentes y su hogar menos cómodo.

La capacidad de enfriamiento de una bomba de calor se mide en unidades kilocalorías o Kcal. También puede expresarse en Julios.

Para asegurarse de que su bomba de calor esté correctamente dimensionada, asegúrese de que su instalador realice un cálculo de carga basado en un método reconocido y un profesional con conocimientos adecuados.

Los cálculos se deben hacer después de realizar cualquier mejora de sellado o aislamiento de aire en su hogar y deben hacerse tanto si está reemplazando una unidad como si está instalando un nuevo sistema.

Una cuestión a a considerar es que si planea mantener un sistema de calefacción de respaldo o auxilar junto con su bomba de calor, podría considerar obtener una bomba de calor de dimensiones inferiores. Un instalador puede ayudarlo a determinar si esto tiene sentido en su hogar

Tenga en cuenta que las bombas de calor necesitan mucha menos capacidad para calentar un espacio que una caldera, ya que son mucho más eficientes en el consumo de energía.

Por ejemplo, si su hogar necesitaba una caldera de 23 KW, Es posible que solo necesite una bomba de calor de 10,5 KW.

Tipo de compresor

El compresor es el corazón de una bomba de calor: es la parte que realmente bombea el calor.

Las bombas de calor básicas tienen un compresor de velocidad única. Está encendido o apagado.

Este sistema funciona lo suficientemente bien, pero la temperatura y la humedad relativa en su hogar oscilarán hacia arriba y hacia abajo con los ciclos.

Algunos compresores tienen dos velocidades, lo que mitiga las oscilaciones, pero todavía están presentes.

El estándar de oro es un compresor de velocidad variable. Está diseñado para funcionar casi constantemente, ajustándose con el tiempo para proporcionar solo la cantidad necesaria de calefacción o enfriamiento para mantener su hogar cómodo.

También es mucho mejor para mantener bajo control la humedad relativa que los modelos de velocidad única. Los compresores de velocidad variable no solo mantienen su hogar más cómodo, sino que también son más eficientes en el consumo de energía.

Puede parecer contra intuitivo, pero se necesita mucha menos energía para mover un poco de calor todo el tiempo que para mover una gran cantidad de calor rápidamente.

Eficiencia

Algunas bombas de calor utilizan menos energía que otras para proporcionar el mismo nivel de comfort. En el modo de enfriamiento, la eficiencia se expresa comúnmente como el factor de eficiencia estacional de energía (EER).

Cuanto mayor sea el EER, mayor será la eficiencia.

En el modo de calefacción, la medición utilizada es el factor de rendimiento estacional de calefacción, COP. Nuevamente, cuanto mayor sea el número, más eficiente en el consumo de energía será la unidad.

Las bombas de calor con un EER y un COP más altos tienden a costar más, pero con frecuencia se pagarán por sí mismas a largo plazo a través de costos de energía más bajos, y es posible que sean elegibles para mejores incentivos fiscales o reembolsos que los modelos menos eficientes.

Las bombas de calor con un EER más alto también tienden a tener un COP más alto, aunque no existe una relación directa entre los dos.

Si usted vive en un clima cálido, preste más atención al EER. En climas fríos, busque un COP más alto.

Clima

Si vive en una región con inviernos fríos, necesitará seleccionar una bomba de calor que esté clasificada para funcionar bien en las temperaturas más bajas que experimente con regularidad su región o tener un sistema de calefacción secundario que respalde su bomba de calor.

Todas las bombas de calor de origen de aire tienen dificultades para rendir cuando las temperaturas caen; el espacio que pueden calentar efectivamente se reduce y no funcionan con tanta eficiencia.

El umbral para un mal rendimiento varía de un modelo a otro: algunas bombas de calor se debilitan a -4 ° C, otras a -8 ° C o menos.

Los modelos comercializados como bombas de calor para climas fríos pueden funcionar a su máximo potencial hasta -15 ° C y pueden proporcionar un poco de calor incluso hasta -29 ° C o menos.

Lo mejor es trabajar con un instalador local cualificado que sepa qué tipo de equipo funciona bien en su área.

Si vive en un área donde la temperatura rara vez o nunca baja de congelación (0 ° C), una bomba de calor básica puede manejar la mayoría de sus necesidades de calefacción y enfriamiento.

Puede mantener un sistema de respaldo de resistencia eléctrica simple (a veces incorporado en la bomba de calor misma) para picos inusuales de frío.

Ruido

Los fabricantes publican los niveles de ruido de sus productos en el manual del usuario y a menudo en sus sitios web.

Suelen incluir estimaciones de ruido en una variedad de temperaturas exteriores y velocidades de ventilador, medidas en decibelios.

Una calificación más baja es mejor, especialmente si la bomba de calor se va a instalar cerca de una ventana del dormitorio.

Fiabilidad

La fiabilidad es con mucho el mejor predictor del nivel general de satisfacción de un propietario con una bomba de calor.

Al igual que con la mayoría de los sistemas de calefacción y enfriamiento, es aconsejable contratar a un profesional para manejar el diseño y la instalación de un nuevo sistema de bomba de calor.

El margen de error con las bombas de calor es más pequeña que con los sistemas de calefacción tradicionales, por lo que el tamaño adecuado es esencial.

Aquí hay algunos consejos para contratar a un buen instalador:

• Pregunte a su alrededor. Busque referencias de vecinos, familiares, asociados de negocios o grupos locales de recursos de energía verde. Las bombas de calor siguen siendo un producto de escaso en los lugares más frías (aunque eso está cambiando rápidamente), por lo que los grupos de recursos de energía verde pueden ayudarlo a encontrar a un contratista que esté familiarizado con la tecnología y sepa cómo instalar un buen sistema.
• Es aconsejable obtener presupuestos de precios de al menos tres contratistas.
• Verifique su historial. Los contratistas que ofrezcan en su instalación deben mostrarle que son instaladores autorizados en su zona o país.
• Obtenga especificaciones de los equipos. Sea desconfiado de un contratista que basa sus estimaciones únicamente en el tamaño de la casa o en reglas generales vagas.
• Los contratistas que ofrezcan en su trabajo deben calcular la capacidad de calefacción y enfriamiento requerida utilizando un método reconocido.
• Los cálculos producen un análisis detallado, habitación por habitación, de las necesidades de calefacción y enfriamiento.
• Pida una impresión de todos los cálculos y supuestos, incluido el diseño de los conductos de aire.
• El instalador también debería determinar una ubicación adecuada para la unidad exterior. Un compresor necesita un flujo de aire adecuado para funcionar correctamente. Asegúrese de mantener al menos 1 metro de espacio entre la unidad y cualquier planta o estructura. Y también debería haber 1,5 metros de espacio libre entre la parte superior de la unidad y cualquier árbol que esté por encima. También querrá asegurarse de que haya suficiente espacio para que usted o un técnico puedan acceder y dar servicio a la unidad.
• La normativa local de construcción pueden tener regulaciones sobre la distancia que se le permite a un compresor exterior estar de la ventana de un vecino o de la línea de propiedad.

¿Necesitas un sistema de calefacción auxiliar?

Con la bomba de calor y el diseño de sistema adecuados para tu hogar y el clima regional, no debería ser necesario un sistema de calefacción de respaldo.

Pero en climas fríos, mantener un sistema de respaldo puede ser la forma más económica de mantener tu hogar cómodo.

Incluso podrías considerarlo como una configuración híbrida, en lugar de como un sistema con un respaldo. La mayor parte del tiempo usarás la bomba de calor (incluido el verano, cuando proporciona toda tu refrigeración) y el sistema de respaldo solo en los días más fríos, cuando la bomba de calor no pueda mantenerse al día.

Un instalador puede configurar el sistema para que cambie automáticamente a una temperatura al aire libre específica. Las configuraciones híbridas aún ahorran una gran cantidad de energía y emisiones de carbono en comparación con la mayoría de otras configuraciones y pueden ofrecer un poco de tranquilidad en climas más fríos.

Aquí hay algunos de los tipos de configuraciones híbridas más comunes:

• Tira eléctrica: es común en climas templados, un elemento de calefacción eléctrico simple se puede construir en la bomba de calor misma o en el manipulador de aire interior. Estas tiras utilizan una gran cantidad de energía, pero son muy baratas de instalar y mantener, y es una forma económica de superar los períodos de frío cortos.
• Mini-split más radiadores: los sistemas de radiadores que funcionan con aceite o propano, o el «calor» eléctrico de resistencia «regular», suelen ser caros de funcionar, pero los sistemas mini-split que son lo suficientemente grandes para calentar toda tu casa suelen ser caros de instalar. Un compromiso popular: instala un mini-split más pequeño que pueda manejar la mayoría de tus necesidades de calefacción (y refrigeración), y mantén el viejo sistema de radiador para los días más fríos.
• Bomba de calor con conductos más caldera: es el mismo concepto que el combo mini-split y radiador anterior. Instalarás la bomba de calor tal como instalarías un AC central.

Mantenimiento de la bomba de calor

El mantenimiento de una bomba de calor es esencial para asegurar su funcionamiento eficiente y prolongar su vida útil.

Aquí hay algunas pautas generales para el mantenimiento de una bomba de calor:

1. Limpieza regular: Asegúrate de mantener limpias las unidades exteriores e interiores de la bomba de calor. Elimina hojas, escombros y otros obstrucciones que puedan bloquear las aletas del evaporador y condensador.
2. Cambio de filtros: Los filtros en la unidad interior deben cambiarse o limpiarse regularmente, generalmente cada uno o dos meses, para garantizar un flujo de aire adecuado y una eficiencia óptima.
3. Verificación de conexiones eléctricas: Asegúrate de que todas las conexiones eléctricas estén seguras y en buen estado. Si encuentras cables dañados o conexiones flojas, debes repararlos de inmediato.
4. Comprobación de refrigerante: Verifica el nivel de refrigerante de la bomba de calor y asegúrate de que no haya fugas. Si sospechas una fuga o un problema con el refrigerante, es importante llamar a un técnico calificado para su reparación.
5. Lubricación del motor: Si tu bomba de calor tiene motores con partes móviles que requieren lubricación, asegúrate de hacerlo según las recomendaciones del fabricante.
6. Programación de termostato: Configura el termostato para mantener temperaturas adecuadas y evita cambios bruscos y frecuentes de temperatura, ya que esto puede aumentar la carga de trabajo de la bomba de calor.
7. Mantenimiento profesional: Considera programar un mantenimiento profesional anual o periódico. Un técnico capacitado puede realizar una inspección completa, diagnosticar problemas potenciales y realizar ajustes necesarios para mantener la eficiencia y el rendimiento de la bomba de calor.
8. Podar vegetación alrededor de la unidad exterior: Mantén la vegetación y arbustos recortados alrededor de la unidad exterior para garantizar un flujo de aire adecuado y evitar obstrucciones.
9. Protección contra la intemperie: Durante los meses de invierno, asegúrate de que la unidad exterior esté protegida de la nieve y el hielo acumulados. También puedes considerar cubrirla con una cubierta especial para protegerla de los elementos.

Recuerda que el mantenimiento adecuado de una bomba de calor puede ahorrarte dinero en costos de energía y evitar reparaciones costosas a largo plazo. Siempre sigue las recomendaciones del fabricante y, si no estás seguro de cómo realizar el mantenimiento, es mejor consultar a un profesional.

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.

Aerotermia

La aerotermia es un tipo específico de bomba de calor que utiliza el aire como fuente de calor. En otras palabras, la aerotermia es un sistema de calefacción y refrigeración que extrae calor del aire exterior y lo transfiere al interior de un edificio en el modo de calefacción, o viceversa en el modo de refrigeración. Es un sistema muy eficiente y respetuoso con el medio ambiente, ya que utiliza una fuente de calor natural (el aire) y requiere menos energía eléctrica para funcionar.

La diferencia principal entre una bomba de calor y la aerotermia radica en la fuente de calor que utilizan. La aerotermia es un tipo de bomba de calor que se basa en el aire como fuente de calor, mientras que las bombas de calor en general pueden utilizar una variedad de fuentes de calor, como el suelo o el agua, además del aire. Ambos sistemas son eficientes en términos energéticos y son alternativas populares para la calefacción y la refrigeración en edificios residenciales y comerciales.

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.

En en el siguiente video se muestra como funciona una bomba de calor aire-agua

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.

Saber por que no arranca la bomba de calor del aire acondicionado

Referencias

National Grid