Optimizar el rendimiento de las bombas de calor

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Se explicó en la publicación anterior el concepto de bomba de calor y distinguimos entre los tipos existentes, sus características y forma de medir su rendimiento. En este post hablaremos sobre los factores más relevantes a valorar para aprovechar al máximo las características de una bomba de calor.

Factor 1. Rendimiento energético y clima.

Una bomba de calor es una máquina térmica que nos ofrece las mejores prestaciones energéticas en instalaciones de climatización, pero siempre y cuando se utilice dentro de su rango óptimo de trabajo. Conocer por tanto ese rango es imprescindible para sacarle el mayor partido posible.

Rendimiento ideal de una máquina térmica. Ciclo de Carnot.

Las bombas de calor  funcionan siguiendo el ciclo ideal de Carnot, transfiriendo energía térmica desde un foco (ambiente a temperatura Tu) a otro (vivienda a temperatura T). Esa transferencia necesita un trabajo mecánico aportado por el compresor que necesita energía eléctrica para funcionar. En una máquina térmica ideal el rendimiento del ciclo de Carnot  nos lo da la fórmula  Ɛc=T/(T-Tu) expresando la temperaturas en grados Kelvin.

Una bomba de calor siempre tendrá pérdidas energéticas y su rendimiento por tanto será  siempre inferior al de la máquina ideal de Carnot, pero su rendimiento es proporcional a estos valores.

Diagrama Temperatura-Entropía del proceso de Carnot

Diagrama Temperatura-Entropía del proceso de Carnot

La consecuencia inmediata que se obtiene a lo expuesto en el párrafo anterior, es que cuanto menor es la diferencia de temperatura entre los focos entre los que trabaja la máquina térmica, mayor es su rendimiento. O sea, cuanto menor es la diferencia de temperatura entre los emisores térmicos empleados en la vivienda y el medio ambiente, mayor es el rendimiento de la máquina térmica.

Este hecho nos ilustra claramente cómo extraer las mejores prestaciones energéticas de una bomba de calor, según su tipología y según los emisores térmicos empleados.

Según el tipo de bomba de calor utilizada: La bomba de calor Aerotérmica transfiere energía desde el aire del medio ambiente a la vivienda. En los días más fríos o más calurosos es cuando más diferencia de temperatura hay entre la vivienda y el medio ambiente, y según hemos visto es cuando peor rendimiento térmico tendrá la máquina: los días más exigentes en demanda térmica, nuestra bomba de calor aerotérmica tendrá peor rendimiento energético.

La bomba de calor Geotérmica, transfiere energía entre el subsuelo y la vivienda. La temperatura del subsuelo, a partir de diez metros de profundidad permanece prácticamente invariable todo el año, con lo cual el rendimiento de la bomba de calor geotérmica permanece estable sin depender de la rigurosidad del clima. La bomba de calor geotérmica tiene normalmente mejores rendimientos energéticos que su equivalente aerotérmica, siendo en climas extremos de mucho calor o mucho frio donde más se acentúan estas ventajas.

Factor 2. Tipo de emisor utilizado.

Nos vamos a fijar ahora en los emisores más utilizados en instalaciones de climatización que utilizan como fluido caloportador el agua, estos son: suelo radiante, suelo refrescante, fan coils y radiadores.

En la siguiente tabla indicamos la temperatura normal de funcionamiento de estos emisores.

Tabla de Temperaturas de Funcionamiento

Para refrigeración la menor diferencia con la temperatura ambiente la ofrece el suelo refrescante, y a continuación los fan-coils.Como se ha visto en el ciclo de Carnot  tenemos un mejor rendimiento cuando hay una menor diferencia de temperaturas entre los focos que trabaja la bomba de calor. Como consecuencia, el suelo radiante es el mejor emisor para  la bomba de calor en modo de calefacción, seguido por fan coils y radiadores de baja temperatura, siendo los radiadores convencionales los emisores menos eficientes.

Por tanto la mejor combinación posible para una bomba de calor es la utilización como sistema emisor un suelo radiante-refrescante.

No obstante hay que tener en cuenta que el suelo refrescante no es adecuado para todos los climas, ya que su temperatura de utilización está limitada por la temperatura a partir de la cual se producen condensaciones o temperatura de rocío. En zonas costeras, sobre todo en verano, hay altos porcentajes de humedad, y por tanto la temperatura de rocío es alta, con lo cual la capacidad de enfriamiento del suelo refrescante está muy limitada, y solamente se aconseja utilizarla en combinación con un sistema de fan-coils.

Factor 3. Régimen de utilización.

Otro factor muy importante a valorar es el régimen de utilización de la vivienda o local donde se va a instalar la bomba de calor. La bomba de calor geotérmica tiene mejores rendimientos que la bomba de calor aerotérmica, pero un mayor coste inicial por la incidencia sobre todo de los pozos de sondeo vertical. Esta diferencia de coste inicial se amortiza en un periodo de seis a ocho años si la utilización del edificio a climatizar es continua a lo largo del año. Si la utilización es temporal o sólo de fines de semana, lo normal es que el periodo de amortización supere al de la vida útil de la bomba de calor.

Factor 4. Necesidad de instalación de paneles solares para producción de ACS.

Si nuestro caso es de un edificio de nueva construcción, para cumplir con las exigencias del Código Técnico de la Edificación (CTE), la producción de agua caliente sanitaria de la vivienda se debe realizar mediante una energía renovable y en un porcentaje que depende de la zona climática en que se ubique la edificación. La energía solar es la renovable utilizada normalmente para cubrir esta exigencia, lo que implica la instalación de paneles solares en cubierta, que dependiendo de la orientación y tipo de cubierta del edificio, puede  producir un impacto visual  no siempre deseado.

En febrero de 2014 el ministerio de industria publicó un documento sobre las Prestaciones Medias Estacionales de las Bombas de Calor en el cual se establecían (según las zonas climáticas) el rendimiento mínimo que debían tener las bombas de calor para ser consideradas energías renovables. La instalación de una bomba de calor geotérmica implica cumplir largamente estos requisitos y por tanto no ser necesaria la instalación de paneles solares.

Las bombas de calor aerotérmicas, en su mayoría no cumplen las exigencias de rendimiento indicadas en este documento y, por lo tanto, su empleo no evita la necesidad de instalar paneles solares para producción de ACS.

Conclusiones. 

Los factores más determinantes para obtener el máximo rendimiento de una bomba de calor serán la climatología de la zona, el régimen de utilización, el tipo de emisor y la utilización o no de paneles solares.

 

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