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La tecnología de bombas de calor y su eficiencia vista en detalle
La eficiencia energética es un negocio intangible, y como todos los
intangibles; no todo el mundo ve de forma directa los beneficios. Si a
eso unimos que el negocio de la energía da fácil entrada a todo tipo de
embaucadores y timadores que prometen beneficios asombrosos, no es de
extrañar que a veces sea realmente difícil convencer al usuario de la
importancia de invertir en estas tecnologías. De ahí la gran importancia
que tiene el uso de herramientas y estudios serios que ayuden a tomar
decisiones sobre las distintas opciones tecnológicas que están
disponibles para resolver una aplicación. Tomar una decisión equivocada
nos condenará durante muchos años a pagar un sobrecoste energético y
perderemos competitividad.
La tecnología de bombas de calor merece ser revisada por su popularidad
tanto en viejas, nuevas viviendas. Como siempre indicamos lo más
importante para evitar derroches no es en sí la tecnología sino sobre
todo la optimización en el diseño y el sistema de control para maximizar
la eficiencia, y alcanzar los niveles más altos de sostenibilidad. Es
por ello que en este artículo nos centramos fundamentalmente en la
evaluación del rendimiento de las bombas de calor.
En muchos países las bombas de calor están experimentando una renovada
popularidad. Aunque las bombas de calor se utilizan para calentar
edificios desde hace más de 50 años, el boom de esta tecnología llegó en
los 80, pero desde entonces muchas cosas han cambiado. La tecnología
actual es muy avanzada y las bombas de calor actuales se adaptan a la
demanda de calor y están equipadas con eficientes controles que pueden
ofrecer ventajas tanto económicas como ambientales sobre los sistemas de
combustibles fósiles.
Para evaluar la sostenibilidad de las bombas de calor frente a las
alternativas de combustibles fósiles, bajo la dirección del Fraunhofer
ISE en Alemania, se instalaron dos grandes campos de prueba en 2006. En
cada proyecto, se llevaron cabo numerosas mediciones sobre bombas de
calor bajo condiciones reales de operación en viviendas multi
familiares.
Dentro del proyecto de control de la eficiencia de las bombas de calor,
se estudió la eficiencia de las bombas de calor modernas. Para ello se
instalaron bombas de calor en edificios muy eficientes en energía, con
una carga anual de calentamiento de 20-50 kWh/m2 – equivalente a 2-5
litros de combustible por m2.
Considerando que los edificios construidos antes de 1980 son responsables en Alemania del 90% del total de energía consumida, el ahorro potencial es mucho mayor que en las estructuras modernas de alta eficiencia.
Eficiencia de las bombas de calor
Las bombas de calor analizadas en el proyecto son de pequeña y
capacidad, entre 5 y 10 kW térmicos, y con fuentes de calor diversas
(bombas de calor aire-agua, bombas de calor suelo-agua y bombas de calor
de agua subterránea agua-agua. El estudio se llevó a cabo con más de
cien unidades de bombas de calor proporcionadas por productores. El
objetivo del proyecto fuel valorar la eficiencia bajo diferentes
condiciones de operación y en diferentes configuraciones, y los
resultados podrán usarse para desarrollar conceptos de uso de bombas de
calor de pequeña capacidad que nuevas construcciones. Adicionalmente, se
examinan la pérdida de refrigerante bajo condiciones reales en algunas
de las unidades y durante cuatro años.
En un segundo proyecto, el rendimiento de unas 75 unidades de
productores principales fue medido bajo condiciones de operación reales.
Debido a su alta temperatura del fluido de alimentación, estas bombas
son especialmente adecuadas para el uso en edificios antiguos. En este
proyecto el objetivo fue comparar sistemas de bombas de calor con
calderas diesel centralizadas y analizar la rentabilidad y los gases de
efecto invernadero. El proyecto fue ejecutado por E.ON Energy AG, y
todos los resultados son públicos.
Cuantificación de los beneficios de las bombas de calor
El propósito del estudio fue llevar a cabo ensayos de campo para evaluar
los límites del consumo de energía térmica y los standard de
aislamiento con respecto a la operación de la bomba de calor. Como hemos
visto recientemente en detalle, de nada vale calentar/enfriar si luego
la energía se derrocha por no haber previsto un aislamiento suficiente.
.
A nuestro parecer, este estudio es de una gran importancia pues si bien
realmente es bastante sencillo, entra en detalle sobre un concepto
realmente importante para los profesionales que abordan proyectos de
eficiencia energética: La relación entre la producción de energía y la
envolvente del edificio.
Entre los objetivos del prestigioso instituto Fraunhofer se encontraba
también determinar los requisitos mínimos que deben cumplir la
envolvente del edificio y el sistema de distribución de calor. Los
sistemas de distribución de energía son también partes del sistema donde
el derroche de energía puede ser realmente serio, hablaremos de ello en
otro artículo en su momento.
.
El instituto definió también los prerrequisitos bajo los cuales
funcionan las bombas de calor y estableció en 55 ºC la temperatura de
alimentación, aunque la mayoría de las bombas de calor están aprobadas
para suministrar temperaturas de hasta 65 ºC
.
Eficiencia de las bombas de calor.
Hay principalmente dos factores que describen la eficiencia de las
bombas de calor. Primero, el coeficiente de rendimiento (COP), que se
determina mediante condiciones de ensayo standard para ciertos puntos de
operación y/o para varios puntos de operación típicos. Segundo, el
factor de rendimiento estacional (SPF).
.
Resultados obtenidos
El estudio demostró la eficiencia de calor, especialmente la de las bombas geotérmicas. También se demostró que es todavía necesario avanzar en la optimización de la integración de la unidad en el sistema de alimentación para la casa y las estrategias de control de la bomba de calor. Así, una fuente de calor inadecuadamente integrada o un disipador incorrectamente diseñado puede decrecer el factor de rendimiento estacional de la bomba de calor.
.
El SPF alcanzado es 3,8, aunque varios indicios confirman que el SPF por
encima de 4 puede ser pronto alcanzado. Cuando se usan solamente para
producir calor, el valor de SPF es 4,1 en las nuevas construcciones.
En la primera parte de este artículo
hicimos una introducción a las bombas de calor y su eficiencia. En esta
ocasión nos vamos a centrar en los principios básicos de funcionamiento
de esta tecnología, también desde el punto de vista de la eficiencia
energética.
Principios de funcionamiento de las bombas de calor
Las bombas de calor son equipos
infrautilizados como medio de conservación de energía para calentar y
enfriar edificios. Los componentes básicos de una bomba de calor son un
fluido de trabajo o refrigerante, un compresor de gas, dos
intercambiadores de calor, tuberías controles y accesorios que pueden
proporcionar tanto calor como frío en el espacio de un edificio. En el
modo de calentamiento, el calor es extraído de una fuente de calor
natural o residual y transferido al espacio mientras que en el modo de
enfriamiento, el calor se elimina del edificio y se descarga a un
sumidero de calor.
Hay cuatro
tipos básicos de bombas de calor, denominadas aire-a-aire, agua-a-aire,
agua-a-agua, y tierra-a-aire. En un sistema de bomba de calor
aire-a-aire, el calor es eliminado del aire interior y rechazado al aire
exterior del edificio durante el ciclo de enfriamiento, mientras que
ocurre lo contrario en el ciclo de calentamiento. El agua puede
reemplazar el aire del exterior como fuente o sumidero para el calor,
dependiendo de si la unidad está en modo de calentamiento o
enfriamiento. Las bombas de calor aire-a-aire o bombas de calor de
fuente aire son unidades sobre techo ya sea en sistemas compactos o
split. Las bombas de calor de Split están diseñadas con una unidad de
manejo de aire localidad en el interior del espacio acondicionado
mientras que el condensador y el compresor se colocan en el exterior.
Los sistemas ASHP son convenientes para climas suaves y áreas donde el
gas natural no está disponible o es caro.
En las bombas de calor de fuente
de agua, en vez de aire, el agua se usa para transferir el calor entre
el edificio y el exterior. Las bombas de calor geotérmicas usan la
energía del suelo o aguas subterráneas como fuente o sumidero. En
invierno una bomba de calor geotérmica transfiere energía térmica desde
el suelo para proporcionar calentamiento del espacio. En el verano el
proceso de transferencia de energía se invierte. El suelo absorbe
energía térmica desde el espacio acondicionado y enfría el aire del
edificio. GHP se beneficia de una temperatura del suelo constante a lo
largo del año, que es mayor en promedio que las temperaturas de aire del
invierno y más bajas en promedio que las temperaturas de aire del
verano. La eficiencia energética de una GHP es así mayor que la de ASHP
convencional y algunas son más eficientes que las calderas de
combustibles fósiles en modo de calentamiento. La diferencia primaria
entre un ASHP y un GHP es la inversión en un bucle del suelo para
captación de calor y rechazo requerido por el sistema GHP. Si GHP es o
no efectiva en costes relativa a la ASHP convencional depende del ahorro
de costes de energía anual de generación que deben ser bastante altos
por el coste extra del bucle del suelo.
Bombas de calor de velocidad variable
Como los acondicionadores de
aire centrales, las bombas de calor pueden ser más eficientes por el uso
de motores de velocidad variable y dos velocidades. Comparadas con los
modelos estándar, las bombas de calor de fuente aire reducen el consumo
de energía aproximadamente un 27 %, las bombas de calor de fuentes de
aire de velocidad variable reducen el consumo de energía en un 35 %, y
las bombas de calor de fuente de energía geotérmica de dos velocidades
reducen el consumo de energía en torno a un 46 %.
Bombas de calor a gas
Hasta hace poco todas las bombas
de calor eran eléctricas, pero los investigadores han desarrollado
bombas de calor de gas. Estos equipos utilizan bombas de calor de
velocidad variable con un motor de gas natural en el que el compresor es
accionado por un motor de ignición de combustión interna y el calor se
recupera en el modo de calentamiento del espacio. También se han
desarrollado bombas de calor que trabajan con el ciclo de absorción
agua-amoniaco. Las bombas de calor a gas tienen el potencial de reducir
el consumo de energía de la bomba de calor aproximadamente un 35 – 45 %
Sistema de distribución
Cuando se valora la eficiencia
de un sistema de acondicionamiento de un espacio, es importante
considerar la eficiencia del sistema de distribución además de la del
aparato. No es raro que en conductos de distribución haya pérdidas que
vayan del 20 – 40 % debidas a la conducción y a las pérdidas. Un
aislamiento mejorado y un buen sellado del conducto puede reducir estas
pérdidas. En general, la estrategia más efectiva para reducir las
pérdidas de distribución es incluir el sistema de distribución en el
espacio acondicionado de forma que las pérdidas debidas a la conducción o
a las pérdidas de aire vayan directamente al espacio acondicionado.
Esto requiere una cuidadosa atención en el diseño o en el proyecto de
reforma.
El sistema de bomba de calor asistido por energía solar
Un colector solar puede mejorar
el rendimiento en sistemas de aire o líquido, pero añade complejidad y
gasto. El calor solar a baja temperatura aplicado a un lado del sistema
de bomba de calor evapora el líquido de refrigerante de baja presión. El
compresor luego eleva la presión y la temperatura del vapor, que cuando
se condensa, transmite calor una temperatura más alta. Cuando esta
diferencia de temperatura es menor que 20 ºC, una bomba de calor puede
proporcionar calor a 40 – 46 ºC con un COP de alrededor de 3.5.
Los sistemas de bombas de calor
asistidos por energía solar pueden ser de varios tipos. Un tipo usa
líquido en el bucle del colector solar, agua de almacenamiento, y una
bomba de calor agua-a-agua. Otro tipo usa una bomba de calor aire-a-aire
en conjunción con intercambiadores de calor líquido-a-aire y un bucle
de colector solar líquido. Aunque las bombas de calor asistidas por
energía solar se usan normalmente solo para calentamiento, el concepto
de una enfriadora de recuperador de calor, condensador de doble tubo,
asistida por energía solar, puede incluirse en esta categoría de bomba
de calor. En verano, este sistema operaría como una estación central
convencional, un sistema de aire acondicionado de agua fría; sin
embargo, puede también operar por la noche bajo las condiciones
ambientales más favorables y con tarifas de energía reducidas y
almacenar el frío en un depósito de almacenamiento. En invierno, el
calentamiento solar, crearía una carga en el evaporador de la
enfriadora. Este sistema, conveniente para grandes edificios, tiene las
ventajas de una bomba de calor sin las complicaciones asociadas con las
características de los ciclos reversibles.
Las bombas de calor realzan la
eficiencia y disminuyen los costes del sistema de energía solar
permitiendo a los colectores operar a temperaturas de fluido bajas con
la bomba de calor impulsando las temperaturas del aire o agua para su
reparto al espacio a temperaturas de 40,5 – 46 ºC. El sistema de
calentamiento del espacio debe diseñarse para bajas temperaturas de
utilización bajas. En grandes edificios la bomba de calor siempre
utilizan el agua de calentamiento solar como fuente de calor para
mantener COP y capacidad altos. Se requiere un análisis computerizado
para optimizar el modo de operación, colector y tamaño de almacenaje,
número de recipientes de almacenaje, y secuencia de control. En algunos
casos puede ser más eficiente usar toda el agua caliente calentada por
el sol a temperatura baja como fuente para la bomba de calor.
Bombas de calor geotérmicas
Las bombas de calor geotérmicas
(GHPS) utilizan como fuente de calor la temperatura del subsuelo para
aplicaciones de calentamiento y enfriamiento, intercambio directo y
otras aplicaciones.
Cada sistema geotérmico consiste
en tres principales elementos: 1) Una bomba de calor geotérmica
consiste en tres elementos principales: 1) una bomba de calor geotérmica
que mueve el calor entre el edificio y el fluido en la conexión de la
tierra por la bomba de calor geotérmica y es distribuida a través de un
sistema de conductos de aire. El aire más frío del edificio es retornado
a la bomba de calor, donde enfría el fluido que fluye a la conexión de
la tierra. El fluido se calienta de nuevo y fluye a través de la
conexión de la tierra. El proceso es invertido para enfriar el edificio.
El circuito
del suelo puede instalarse directamente al suelo o a través de un pozo.
El fluido puede ser agua o un refrigerante. Las bombas de calor
geotérmicas pueden proporcionar calentamiento, enfriamiento, e incluso
agua caliente, a un coste significativamente más bajo comparado con los
sistemas convencionales. Sin embargo, las instalaciones de sistemas
geotérmicos usualmente cuestan dos o tres veces más comparado con los
sistemas convencionales.
Tres tipos de configuraciones se
usan para instalar sistemas de bombas de calor geotérmicas. El tipo
seleccionado depende de numerosos factores incluyendo tipo de suelo,
disponibilidad de una fuente de agua, el tamaño de la instalación, y la
cantidad de tierra disponible. Los circuitos pueden instalarse
horizontalmente o verticalmente en el suelo, o sumergido en un cuerpo de
agua. El tipo de configuración de circuito incluye:
• Circuito de suelo cerrado horizontal.
• Circuito de suelo cerrado vertical.
• Circuito cerrado en lago o charca.
• Sistema de circuito abierto.
• Sistema de pozo de columna estacionaria.
Los sistemas de bombas de calor
geotérmica ofrecen bastante flexibilidad, y ofrecen grandes beneficios a
los que están dispuestos a pagar unos costes de instalación más altos.
Estos beneficios incluyen:
• Ahorro de costes sustancial:
Los sistemas geotérmicos pueden ahorrar tanto como un 50 % comparado con
las bombas de calor de fuente aire y hasta un 45 % en combustibles
fósiles.
• Ahorro fiscal: En muchos lugares existen ayudas públicas a modo de bonificaciones fiscales.
• Beneficios ambientales: Los sistemas geotérmicos son una fuente de energía renovable.
• Financiación: Existen muchos programas de financiación privada que apoyan estos proyectos.
Si bien las bombas geotérmicas
han estado disponibles desde hace décadas, todavía quedan nichos de
mercado disponibles. Esta tecnología todavía se enfrenta a numerosos
desafíos incluyendo reducción de costes y desarrollo de una
infraestructura sostenible. Justamente a quince metros bajo el suelo, la
temperatura queda constante (entre 10 y 16 ºC) durante todo el año.
La temperatura del suelo es más
caliente que el aire en invierno y más fría que el aire en verano. Las
bombas de calor geotérmicas toman ventaja de esta diferencia para
calentar y enfriar los edificios.
La bomba de calor debe compensar
las diferencias del calor absorbidas y la temperatura donde el calor se
reparte. Una bomba de calor de fuente aire quita calor del aire del
exterior en el invierno y transmite calor al aire caliente en verano. La
bomba de calor geotérmica, por otra parte, recupera calor del suelo
relativamente caliente en el invierno y transmite calor al mismo
relativamente frío en el verano. Como resultado, la bomba de calor
geotérmica está bombeando el calor con una diferencia de temperatura más
pequeña que la bomba de calor de fuente aire. Esto lleva a una
eficiencia más alta y uso de energía más baja.
El
sistema de bomba de calor geotérmica tiene tres partes principales: el
intercambiador de calor del suelo, la unidad de bomba de calor, y el
sistema de distribución de aire. El intercambiador de calor es un
sistema de tuberías llamada un circuito, el cual es enterrado en suelo
poco profundo cerca del edificio. Un fluido (usualmente una mezcla de
agua y anticongelante) circula a través de las tuberías para absorber o
depositar calor dentro del suelo.
En el invierno, la bomba de
calor extrae calor del intercambiador de calor y lo transfieren al
sistema de distribución de aire interior. En el verano, el proceso se
invierte y la bomba de calor mueve el calor desde el aire del interior
al intercambiador de calor. El calor extraído del aire del interior
durante el verano puede usarse para calentar agua.
En la mayoría de las
instalaciones estándar, especialmente en el mercado residencial, la
bomba de calor geotérmica consiste en una única bomba de calor
agua-a-aire compacta. Todos los componentes están contenidos en una
única carcasa que tiene el mismo tamaño que una caldera de gas pequeña.
La unidad incluye un intercambiador de calor de refrigerante-a-agua,
tuberías de refrigerante y válvula de control, compresor, serpentín de
aire (calienta en invierno; enfría y deshumidifica en verano),
ventilador y controles.
Consideraciones de diseño del circuito geotérmico
La conexión del suelo, o
circuito, proporcionan los medios para transferir el calor a tierra en
verano, y extrayendo calor de la tierra en invierno. Físicamente, el
circuito del suelo consiste en varios tramos de tubería de plástico
típicamente instalados en trincheras horizontales o pozos verticales que
están cubiertos con tierra.
El fluido en el interior del
circuito del suelo, ya sea agua o refrigerante, es bombeado a través de
un intercambiador de calor en la bomba de calor geotérmica. En el
verano, absorbe calor de la zona caliente del refrigerante y la
transporta al suelo a través de la tubería del circuito del suelo. En
invierno, absorbe calor de la tierra a través del circuito del suelo, y
luego transfiere ese calor a la zona fría del refrigerante.
La longitud del circuito del
suelo queda determinada por las cargas de calor y frío, que vienen
determinadas por el diseño del edificio, orientación y clima.
Una vez instalado, el circuito
queda fuera de la vista bajo la superficie. El circuito del suelo
consiste en tuberías de polietileno del mismo tipo que se usan en las
conducciones de gas natural. No se degradan, ni corroen ni se
descomponen en contacto con el agua, así que estas instalaciones pueden
proyectarse para durar al menos 50 años.
A veces las bombas de calor
geotérmicas se instalan usando una variación en esta práctica denominada
intercambio directo (DX). Este método usa tuberías de cobre colocadas
bajo el suelo y cuando el refrigerante es bombeado a través del
circuito, el calor es transferido directamente a través del cobre a la
tierra.
La mayoría de los circuitos se
instalan horizontal o verticalmente en el suelo, o se sumergen en el
agua en una charca o lago. En la mayoría de los casos, el fluido circula
a través del circuito en un sistema cerrado, pero los sistemas de
circuito abierto pueden usarse donde lo permite la normativa local. Cada
tipo de configuración tiene ventajas y desventajas.
Rentabilidad y costes
Cuando se comparan sistemas de
calentamiento y refrigeración, deben considerarse seguridad, costes de
instalación, costes de operación y costes de mantenimiento.
Un estudio llevado a cabo por
Environmental Protection Agency en Estados Unidos comparando seis zonas
climáticas principales comparó el rendimiento y costes de equipos de
acondicionamiento de espacios de alta eficiencia con tecnologías
emergentes.
Los
resultados mostraron que las bombas de calor geotérmicas fueron el
sistema de enfriamiento y calentamiento de espacios más eficiente, por
encima de otros tipos de equipos de acondicionamiento de espacios
incluyendo las calderas de gas y acondicionadores de aire de alta
eficiencia.
Las bombas de calor geotérmicas
han sido instaladas en cientos de edificios institucionales y
comerciales en los Estados Unidos, incluyendo edificios de oficinas de
8.000 m2.
Como ejemplo de rentabilidad
mencionamos un proyecto en Fort Polk que finalizó en 1996 tras una
inversión de 18 millones de dólares. El proyecto, finalizado en 1996
redujo los costes en energía y mantenimiento en más de 3 millones de
dólares anualmente. A lo largo de la vida útil del proyecto se
conseguirá un ahorro total de 44 millones de dólares.
Un proyecto de
reacondicionamiento de 4000 viviendas en Luisiana mostró que se reducía
la demanda de electricidad pico en verano en 7.5 MW, o lo que es lo
mismo un 43 %, y se reducía el consumo de electricidad en un 33 % a la
vez que se eliminaba completamente el consumo de gas natural.
De acuerdo con las estimaciones
más recientes realizadas por el gobierno de los Estados Unidos, hay más
de 900.000 instalaciones de bombas de calor geotérmicas en el país.
Estas instalaciones han conseguido ahorros de energía significativos y
reducciones en emisiones de dióxido de carbono:
• La eliminación de más de 5.2 millones de toneladas métricas de CO2 anualmente.
• Ahorro anual de más de 7000 millones de kWh.
• Una reducción de la demanda energética en 2.3 millones de kW
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| Fuente de calor de fuente de aire |
Continuando con la eficiencia de las bombas de calor vamos a dedicar un artículo a la descripción técnica de esta tecnología.
Descripción de la tecnología
El principio de las bombas de calor se
basa en la primera ley termodinámica, según la cual la energía puede
transferirse al sistema por calentamiento, compresión, o añadiendo
materia, y extraída del sistema por enfriamiento, expansión, o
extracción de materia. Esto significa que el calor puede crearse de una
fuente fría y viceversa cuando se aplica energía externa al sistema
original. En último término puede extraerse calor de cualquier materia
que está a una temperatura por encima del cero absoluto ( - 273.15 ºC).
En esta
capacidad las bombas de calor pueden operar como sistemas de calor o de
enfriamiento, expandiendo o contrayendo sustancias, o ambas.
Hay tres tipos básicos de bombas de calor:
- Bombas de calor de fuente de aire.
- Bombas de calor de absorpción.
- Bombas de calor geotérmicas.
Bombas de calor de fuente aire
Una bomba de calor de fuente
aire utiliza el aire exterior para calentar o enfriar un edificio.
Cuando se utiliza para calentar un edificio esto se logra mediante la
transferencia de calor al interior desde el aire exterior, y cuando se
utiliza para enfriar un edificio esto se logra mediante la transferencia
de calor desde el interior hacia el aire exterior. Para lograr la
transferencia de calor en cualquier dirección, las bombas de calor de
fuente de aire utiliza un sistema que incluye un cambiador de calor, un
compresor y un medio para transferir el calor de un área a otra, por
ejemplo, tubos que se han llenado con refrigerante.
El proceso de calentamiento se inicia
con un refrigerante frío que se mueve al exterior donde se calienta por
una combinación de aire exterior que salgan por un ventilador en bobinas
de refrigerante, y un compresor que aumenta aún más la temperatura a
través de la compresión del refrigerante. El refrigerante calientado se
mueve en el interior dondee pasa a través de otro conjunto de bobinas de
refrigerante (serpentines de calefacción), donde otro ventilador extrae
el calor de las bobinas al soplar aire sobre ellas. El aire caliente
puede ser distribuido sobre el edificio a través de conductos de aire.
Por último, el refrigerante pasa a través de una válvula de expansión
para enfriarlo y comenzar el ciclo de nuevo.
El proceso de enfriamiento es
prácticamente la inversa del proceso de calentamiento, donde una válvula
de inversión cerca del compresor cambia la dirección del flujo de
refrigerante.
La
eficiencia de las bombas de calor de fuente de aire es generalmente más
alta que la de las calderas tradicionales y la calefacción eléctrica,
lo que significa que a largo plazo cubrirá su inversión.
Las bombas de calor de fuente de
aire funcionan por electricidad, y existen sistemas que funcionan con
paneles solares, ambas tecnologías limpias y eficientes
energéticamente.
Bombas de calor por absorción
Las bombas de calor por
absorción trabajan de forma similar a las bombas de calor de fuente
aire, pero en lugar de utilizar la electricidad para comprimir un
refrigerante, utilizan agua caliente generada a partir de captadores
solares, recursos geotérmicos o gas natural en combinación con una bomba
de absorción y una bomba de presión. La bomba de absorción absorbe
amoniaco o bromuro de litio en agua. Esta mezcla se presuriza por una
bomba de presión. El bromuro de amoniaco o litio es vaporizado en el
agua por el calor del agua caliente la creando calor que puede ser
utilizado en el interior. Sin embargo, a diferencia de las bombas de
calor de fuente de aire, las bombas de absorción de calor no son
reversibles.
Bombas de calor geotérmicas
Las bombas de calor geotérmicas
utilizan la temperatura constante que existe en el subsuelo o en un
cuerpo de agua, por ejemplo, un estanque, para transferir calor o frío a
un edificio. Esto se logra mediante la transferencia de calor o frío
desde debajo de la tierra a través de tubería subterránea que contiene
un refrigerante. Existen diversas variaciones de esta configuración,
incluyendo:
- Intercambio directo
- Bucle cerrado: Vertical, Horizontal y Estanque
- En bucle abierto: Fuente de columna vertical
El sistema de intercambio
directo es el más simple, más eficiente y menos costosa. Se trata de una
bomba de calor que hace circular un refrigerante a través de tubos de
cobre subterráneo, donde el calor se transfiere desde el suelo hasta el
refrigerante a través de la tubería de cobre. Aunque este sistema está
limitado por la conductividad térmica del suelo, puesto que no requiere
mecanismos adicionales, por ejemplo, la bomba de agua y un
intercambiador de calor, ello hace que la eficiencia energética en
general sea muy alta.
Bucle cerrado
El sistema en bucle cerrado
consiste en dos conjuntos de tuberías, una que contiene agua y
anticongelante y pasa por debajo de la tierra para absorber el calor y
la transferencia a través de un intercambiador de calor a la segunda
pipa que contiene refrigerante y está en contacto con la bomba de calor
que distribuye el calor en todo el edificio. Este sistema también
requiere una bomba de agua para mover el agua y anticongelante bajo el
suelo. El nombre "bucle cerrado" viene del hecho de que los líquidos en
los dos sistemas de tuberías se mantienen contenidos, sin renovarse, es
decir, están continuamente reutilizándose.
Las variaciones en bucle
cerrado incluyen la distribución de las tuberías subterráneas ya sea
verticalmente, horizontalmente o bajo el agua. Determinar qué método es
mejor dependiendo de factores tales como coste, disponibilidad de
tierra, geología subterránea y la proximidad al agua. La configuración
horizontal es más barata que la vertical, pero requiere más tierras y
los ambientes húmedos son mejores para la transferencia de calor.
Bucle abierto
Una bomba de calor de bucle
abierto funciona como un sistema de circuito cerrado en el que utiliza
dos circuitos de tubería con un intercambiador de calor. La diferencia
está en el bucle subterráneo, que, en lugar de volver a utilizar el
mismo líquido, el agua tiene acceso de una fuente subterránea o
estanque. En este caso el agua se renueva continuamente durante todo el
ciclo. Un sistema de bucle abierto sólo es práctico donde hay un acceso
fácil al agua. Problemas con este tipo de sistema incluyen la
contaminación tuberías con minerales en el agua, y también la
posibilidad de que tal sistema puede agotar o contaminar los acuíferos o
pozos naturales.
Economía
La economía de las bombas de calor no es sencilla por varias razones. entre ellos:
- Variaciones en los precios competitivos de la energía convencional
- Mal diseño e instalación del sistema
- Factores climáticos
Sin embargo, si se diseña
correctamente un sistema de bomba de calor será uno de los sistemas de
calefacción más eficientes y eficaces, con un mínimo coste de
mantenimiento anual y una vida útil de entre 25 y 200 años. Los sistemas
de bomba de calor suelen pagarse por sí mismas en 1 a 10 años
(dependiendo del tipo de sistema), convirtiéndolas en una inversión muy
buena.
Debido a la complejidad de la selección e instalación de un sistema de bomba de calor, se recomienda que todo el proceso se realica en colaboración con expertos experimentados.
