Tipos de bombas de calor – Para todos los climas, las bombas de calor son una opción energéticamente eficiente para los hornos y los aires acondicionados. Las bombas de calor, al igual que su frigorífico, utilizan la energía para transferir el calor de un lugar frío a otro caliente, enfriando el espacio frío y calentando el espacio caliente.
Las bombas de calor transfieren el calor del frío exterior a su casa caliente durante la temporada de calefacción. Las bombas de calor transfieren el calor de su casa al exterior durante la temporada de refrigeración.
Las bombas de calor pueden producir eficientemente la temperatura adecuada para su casa ya que transfieren el calor en lugar de generarlo.
Tabla de contenido
- ¿Qué son las bombas de calor?
- Principio y funcionamiento de una bomba de calor
- Tipos de bombas de calor
- Características avanzadas de las bombas de calor
- El futuro de las bombas de calor
- Conclusión
- Preguntas frecuentes sobre la bomba de calor
- 1. ¿Pueden las bombas de calor producir suficiente calor para toda una casa o negocio?
- 2. ¿Funcionan las bombas de calor cuando hace frío?
- 3. ¿Por qué el aire que sale de mi bomba de calor no parece estar tan caliente como el que sale de mi horno?
- 5. ¿Cuáles son las ventajas de utilizar una bomba de calor para reducir las emisiones de carbono?
¿Qué son las bombas de calor?
La energía necesaria para ajustar la temperatura del aire es uno de los aspectos más caros de la calefacción y la refrigeración. Si hay 90 grados en el exterior, tendrás que gastar energía para enfriar el espacio bajando la temperatura del aire interior. Las temperaturas invernales son el polo opuesto.
Una opción para reducir el coste energético de esta operación es elegir un lugar cercano que sea más fresco en verano y más cálido en invierno. En este caso puede ser necesario un cambio de temperatura de 10-15 grados en lugar de 20-30 grados. Aprovechando los cambios de temperatura en los hábitats, las bombas de calor pueden lograr esta transformación.
Consideremos el sistema de calefacción en invierno. Una bomba de calor puede aprovechar las temperaturas más altas de las profundidades y transferir ese calor a una residencia por encima del suelo.
Este procedimiento sigue necesitando el uso de una fuente de energía externa. Como las temperaturas bajo tierra no cambian tanto como en el aire libre, este procedimiento reduce la cantidad de energía necesaria para calentar el aire.
Principio y funcionamiento de una bomba de calor
La energía térmica se transfiere de forma natural de los ambientes más cálidos a los más fríos. En cambio, una bomba de calor puede invertir este proceso tomando el calor de un ambiente frío y liberándolo en uno más cálido.
Esta técnica no conserva el calor y requiere cierta energía externa, como la electricidad. Las bombas de calor son dispositivos de refrigeración por compresión de vapor que se ajustan para obtener una alta eficiencia en ambas direcciones de la transferencia de energía térmica en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Estas bombas de calor pueden ser reversibles, lo que significa que pueden calentar o enfriar el área interior en ambos sentidos.
Las bombas de calor se utilizan para mover el calor, ya que consumen menos energía de alto grado de la que se libera en forma de calor.
La mayor parte de la energía para la calefacción procede del entorno exterior, y sólo un pequeño porcentaje proviene de la electricidad (o de alguna otra fuente de energía de alta calidad necesaria para hacer funcionar un compresor).
El calor transferido por las bombas de calor accionadas eléctricamente puede ser tres o cuatro veces mayor que la energía eléctrica consumida, lo que da al sistema un coeficiente de rendimiento (COP) de tres o cuatro, en comparación con uno para un calentador de resistencia eléctrica tradicional que produce todo el calor a partir de la energía eléctrica de entrada.
Las bombas de calor emplean un refrigerante como fluido intermedio para absorber el calor en el evaporador y luego liberar el calor en el condensador, donde el refrigerante se condensa.
El refrigerante circula por tuberías aisladas entre el evaporador y el condensador, lo que permite una transmisión eficaz de la energía térmica a grandes distancias.
Principio de funcionamiento de una bomba de calor (Referencia: homestratosphere.com)Tipos de bombas de calor
En la industria moderna de la calefacción y la refrigeración se utilizan varios tipos de bombas de calor. En este artículo, se clasificarán en tres categorías principales:
- Aire-aire
- Subterráneas/subterráneas
- Híbrido
1. Bombas de calor reversibles
Las bombas de calor reversibles pueden proporcionar calor y frío en las mismas dos condiciones. Utilizan tubos exteriores para absorber el calor y descargarlo en el ambiente interior durante la calefacción. Recogen el calor del interior y lo liberan al ambiente exterior durante la refrigeración.
La opción reversible está disponible en la mayoría de los modelos de bombas de calor. Dependiendo de su entorno, puede necesitar una bomba bidireccional o una destinada exclusivamente a calentar los interiores.
Dado que las bombas reversibles son más caras, el dinero puede influir a la hora de determinar qué sistema es el mejor para usted.
Sin embargo, otros sistemas, como los que son subterráneos o subacuáticos, necesitan una instalación considerable.
Una parte de estos sistemas debe enterrarse a gran profundidad o sumergirse en el fondo de una masa de agua cercana. Instalar un sistema reversible para ahorrar gastos de reinstalación más adelante puede ser más rentable a largo plazo.
Bombas de calor reversibles (Referencia: swep.com)2. Estado sólido
Existen bombas de calor de estado sólido, aunque no suelen utilizarse para calentar edificios. En las bombas de calor magnéticas se aprovechan las características de los campos magnéticos intensos sobre determinados metales.
Metales como el hierro o el gadolinio pueden ser calentados por los campos hasta diez grados Fahrenheit. Si el metal se coloca posteriormente en un entorno sin el campo, el calor adicional se liberará a la atmósfera.
Este método es menos eficiente energéticamente que los sistemas que utilizan líquido o gas como combustible.
Las bombas termoeléctricas transmiten el calor entre dos lugares utilizando la tensión. Estos sistemas tampoco son eficientes, y su uso se ha limitado a equipos de refrigeración modestos.
Los dispositivos termoacústicos, por su parte, han encontrado poca utilidad fuera de las operaciones criogénicas. Para transportar la energía térmica, estos dispositivos utilizan los cambios de presión relativa inducidos por las ondas acústicas.
Bombas de calor de estado sólido (Referencia: thermavance.com)3. Bombas de calor aire-aire
Las bombas de calor aire-aire, como su nombre indica, transfieren el calor del aire exterior al interior de la instalación. Se presentan en sistemas reversibles que pueden tanto calentar como enfriar el aire del interior.
Los sistemas que emplean la compresión de vapor o el agua caliente para los radiadores o el uso humano directo son los más frecuentes.
El tipo que utiliza la compresión de vapor funciona de la misma manera que los frigoríficos y los aires acondicionados. Implican la instalación de una unidad en el interior y la conexión de tuberías a una unidad sobre el suelo en el exterior.
Las enfriadoras de ciclo inverso funcionan de forma similar a las bombas aire-aire convencionales, salvo que en lugar de refrigerante vaporizado, hacen circular agua. Una vez calentada, el agua puede circular por los sistemas de radiadores internos.
Los sistemas de calefacción por aire y por radiación son más eficientes energéticamente que otros tipos de calefacción. Al estar por encima del suelo, también son menos costosos de instalar que otros tipos de bombas de calor.
Como las bombas de calor no necesitan la combustión de combustibles fósiles, pueden ser más saludables. Como resultado del proceso de combustión, pueden emitir dióxido de carbono u óxido de nitrógeno.
Para los establecimientos situados en zonas generalmente moderadas, los sistemas de bomba de calor de aire podrían ser perfectos. En todos los casos, excepto en los de frío intenso que se acercan a las temperaturas de congelación, pueden ofrecer un calor adecuado.
La utilización de bombas de calor aire-aire tiene algunas desventajas. Si bien funcionan bien en zonas moderadas, no lo hacen en zonas severas. Cuando la temperatura desciende por debajo del punto de congelación, la capacidad de calefacción se reduce a un nivel soportable.
En la mayoría de los sistemas se incluye un tipo de calefacción de emergencia resistiva o a base de aceite. Por otro lado, la calefacción de emergencia no es rentable ni adecuada para un uso a largo plazo.
Dado que los sistemas están por encima del suelo, son susceptibles de ser obstruidos. El flujo de aire y las piezas de trabajo interiores pueden verse perjudicados por las hojas, la hierba, la nieve y el hielo. En los sistemas sobre el suelo se necesitan con frecuencia filtros y descongeladores.
Los sistemas de bomba de calor aerotérmica pueden ser más caros de entrada que otros tipos de calefacción. Sin embargo, pueden durar veinte años o más y ahorrar dinero a largo plazo. El tiempo que tardan en recuperar la inversión inicial viene determinado por el coste de la electricidad y el petróleo en la zona.
a. Bomba de calor mini split (sin conductos)
La bomba de calor mini-split es un sistema aire-aire diseñado para viviendas sin conductos. Suelen utilizarse en la readaptación de edificios que antes tenían calentadores de agua o radiadores.
A diferencia de las bombas de calor estándar basadas en el aire, los mini-splits emplean pequeñas aberturas talladas en las paredes laterales para conectar la unidad exterior con el sistema de conductos.
A una distancia de hasta quince metros de la unidad exterior, las unidades interiores pueden instalarse en techos, paredes o en el suelo.
Se pueden conectar hasta cuatro unidades interiores a una unidad exterior mini-split. Es posible calentar y enfriar eficazmente por zonas, ya que cada unidad interior puede regularse individualmente. Por otro lado, la instalación de una unidad de tamaño incorrecto puede dar lugar a un desperdicio de energía y a habitaciones calentadas de forma ineficaz.
Aunque los tubos visibles y la unidad interior pueden resultar poco atractivos para algunos, los minisplits son más eficientes energéticamente que los sistemas de conductos. Los conductos son famosos por su ineficiencia, ya que pierden mucho calor antes de llegar a las rejillas de ventilación.
b. Bomba de calor de aire de escape
La bomba de calor de aire de escape es el último tipo de aire de la bomba de aire. Este tipo, como su nombre indica, hace uso de los gases de escape de una actividad de construcción o fabricación.
El mismo proceso de evaporación a condensación puede ser mucho más eficaz porque el escape suele estar más caliente que el aire circundante. Este procedimiento, sin embargo, requiere una proximidad constante a los gases de escape.
4. Bombas de calor subacuáticas/subterráneas
En las profundidades y bajo el agua, las temperaturas no cambian tanto como en el aire libre. Por ello, este tipo de bomba puede suministrar aire más caliente y más frío con mayor eficacia.
Varias bombas subterráneas y submarinas utilizan un sistema de doble línea. En esta variante, una tubería primaria irá desde una caja de intercambio hasta la estructura sobre el suelo. Una segunda tubería conectará el laberinto subterráneo/submarino con una caja de intercambio.
Dentro de la caja de intercambio de calor cerrada, las dos tuberías se unirán. Tanto en los sistemas subterráneos como en los subacuáticos puede utilizarse una combinación de anticongelante y agua para evitar temperaturas extremas.
Bombas de calor subacuáticas/subterráneas (Referencia: cielowigle.com)a. Bombas de calor de agua
Las bombas de calor subacuáticas pueden ser una alternativa para las construcciones que estén lo suficientemente cerca de fuentes de agua profundas. Las bombas de calor acuáticas funcionan con el mismo concepto que las bombas de calor de aire, sólo que utilizan el agua como medio de intercambio de calor. Absorben el calor del agua para calentar el interior de la estructura y devuelven el calor al agua para enfriarla.
El agua también se utiliza como refrigerante en algunos tipos, con agua que fluye a través de una red de tubos tan profunda como sea posible bajo el agua. La temperatura del agua en el interior del tubo aumentará o disminuirá hasta alcanzar la temperatura ambiente del agua que fluye libremente. Después, el agua de los tubos se bombea hacia la estructura. En verano, el agua absorberá el calor del interior del edificio, enfriándolo eficazmente. En invierno, el agua descargará el calor en el interior más fresco.
Esta técnica puede emplearse en zonas más duras, ya que las temperaturas submarinas son razonablemente constantes durante todo el año. Esta es una ventaja importante con respecto a los sistemas basados en el aire, que están limitados a temperaturas suaves.
La construcción de los sistemas subacuáticos es menos costosa que la de los sistemas subterráneos, ya que no es necesario realizar grandes excavaciones. En cambio, las tecnologías subacuáticas pueden suponer un gasto inicial mucho mayor que los métodos basados en el aire.
Por supuesto, la desventaja más importante de las bombas de calor sumergidas es que requieren la proximidad de una masa de agua. Aunque los pozos exteriores pueden ser útiles, son preferibles las masas de agua de mayor tamaño y con flujo libre.
Hay dos tipos de sistemas subacuáticos: los bucles cerrados y los bucles abiertos. Los bucles cerrados, al igual que los otros tipos, hacen circular un refrigerante por un conducto cerrado. Los bucles abiertos, en cambio, recogen el agua de la superficie y la transfieren a través de la estructura interior del sistema. Posteriormente, el calor se emite o se absorbe, dependiendo de la situación. Después, el agua se devuelve al medio ambiente en una zona diferente.
Este procedimiento conlleva el peligro añadido de que se produzcan depósitos minerales en el interior de la línea, ya que se trata de agua corriente procedente del exterior. Estos depósitos pueden obstruir el flujo de agua y disminuir la eficacia del sistema.
Esquema de una bomba de calor con fuente de agua (Referencia: researchgate.net)b. Bombas de calor geotérmicas
Estos sistemas, también conocidos como bombas de calor geotérmicas, emplean temperaturas constantes en las profundidades para calentar y enfriar las estructuras. Al igual que las bombas de aguas profundas, suelen emplear agua como refrigerante y no requieren condensación ni evaporación. Sin embargo, existen variantes típicas de condensación y evaporación.
El tipo de refrigerante de agua, como las de aguas profundas, se basa en una red de tuberías enterradas a gran profundidad. El agua circula por las tuberías, liberando y recogiendo el calor hasta alcanzar la temperatura ambiente del suelo. A continuación, el agua se bombea a la estructura sobre el suelo, donde se utiliza para eliminar o absorber el calor.
Mientras que las tuberías de aguas profundas suelen ser horizontales contra el fondo del agua, las subterráneas tienen formas y tamaños muy variados. Las tuberías pueden colocarse en bucles verticales cuando el espacio horizontal es restringido. Se han excavado varios agujeros profundos en la tierra. Las tuberías forman una cadena de profundas formas verticales en U. Para mejorar el intercambio de temperatura, cada una de las perforaciones puede rellenarse con agua subterránea u otro medio.
Las tuberías pueden organizarse en una red horizontal de formas de U que se asientan en un solo plano por debajo de la línea de congelación, donde hay más espacio. Las tuberías pueden cubrirse excavando la tierra y sustituyéndola después.
Las tuberías horizontales también pueden organizarse de forma radial mediante una técnica conocida como perforación direccional horizontal. Este método es el preferido porque puede colocarse sin alterar las calzadas u otras características de la superficie.
Principio de funcionamiento de una bomba de calor geotérmica en modo de refrigeración y calefacción (Referencia: researchgate.net)5. Bombas de calor híbridas
El principal problema de los sistemas de bomba de calor puros es que no proporcionan suficiente calor en lugares realmente fríos. A temperaturas bajo cero o inferiores, las bombas aire-aire no pueden funcionar correctamente. En consecuencia, los sistemas deben recurrir a una costosa calefacción de emergencia en caso de frío extremo.
La refrigeración es mucho más eficaz con los sistemas geotérmicos y subacuáticos que la calefacción. Las temperaturas en las profundidades del subsuelo/submarino pueden alcanzar de cincuenta a sesenta grados Fahrenheit. Esa temperatura es mucho más eficaz para enfriar una habitación caliente que para calentar un lugar frío.
Por ello, existe una variedad de bombas de calor híbridas que ayudan en el proceso de calefacción. Estas bombas funcionan como bombas de calor de fuente de aire que emplean fuentes de energía adicionales para crear más calor y liberarlo en el interior. He aquí varios ejemplos:
- El gas natural se utiliza como fuente de calor en las bombas de calor de gas, que proporcionan calor adicional en lugares fríos. Esta variante también puede suministrar tanto calefacción como refrigeración utilizando un sistema de refrigeración de amoníaco-agua.
- Las bombas de calor alimentadas por energía solar pueden impulsar y calentar el sistema utilizando paneles solares como fuente de energía. Además, pueden utilizar la luz solar directa como fuente de calor.
Características avanzadas de las bombas de calor
El rendimiento de las bombas de calor está mejorando gracias a varias innovaciones.
A diferencia de los compresores normales, que sólo pueden funcionar a plena capacidad, los compresores de dos velocidades permiten que las bombas de calor funcionen cerca de la capacidad de calefacción o refrigeración necesaria a cualquier temperatura exterior, lo que permite conservar la energía y minimizar el desgaste del compresor.
Las bombas de calor con dos velocidades funcionan bien con los sistemas de control de zonas. En los sistemas de control de zonas, que suelen encontrarse en las viviendas más grandes, los reguladores automáticos permiten a la bomba de calor mantener diferentes habitaciones a distintas temperaturas.
Los ventiladores interiores (sopladores), los ventiladores exteriores, o ambos, se suministran con motores de velocidad variable o de doble velocidad en algunos tipos de bombas de calor.
Los ajustes de velocidad variable de estos ventiladores intentan mantener el aire circulando a un ritmo adecuado, reduciendo las brisas frescas y aumentando el ahorro de energía. También disminuye la cantidad de ruido creado por el ventilador mientras funciona a plena potencia.
En las bombas de calor de alta eficiencia, un desrecalentador recupera el calor residual de la fase de refrigeración de la bomba de calor y lo utiliza para calentar agua. Una bomba de calor con un desrecalentador puede calentar el agua de 2 a 3 veces más rápido que un calentador de agua eléctrico estándar.
El compresor scroll, compuesto por dos espirales, es otra mejora en la tecnología de las bombas de calor. Uno de ellos permanece inmóvil mientras el otro gira a su alrededor, comprimiendo el refrigerante al empujarlo en espacios cada vez más pequeños.
Los compresores scroll tienen una vida útil más larga y son más silenciosos que los compresores de pistón tradicionales. En comparación con las bombas de calor convencionales con compresores de pistón, las bombas de calor con compresores scroll suministran un aire entre 10° y 15°F más caliente cuando están en modo de calefacción, según algunas fuentes.
Aunque la mayoría de las bombas de calor emplean calefactores de resistencia eléctrica como respaldo para el tiempo frío, las bombas de calor también pueden instalarse con un horno de gas para ayudar a la bomba de calor, lo que se conoce frecuentemente como sistema de doble combustible o híbrido.
Esta ayuda alivia el problema de la bomba de calor de funcionar de forma ineficiente a bajas temperaturas y minimiza su consumo de energía. Dado que son pocos los fabricantes de bombas de calor que combinan ambas fuentes de calor en una sola unidad, estos arreglos suelen ser dos sistemas convencionales más pequeños, uno al lado del otro, que utilizan la misma red de conductos.
En comparación con un horno de combustible de combustión o una bomba de calor por sí sola, este tipo de sistema es también más rentable. La cantidad real de energía ahorrada depende del coste relativo del combustible de combustión en comparación con la electricidad.
El futuro de las bombas de calor
Las bombas de calor pueden convertirse en el sistema de calefacción del futuro debido a sus numerosas ventajas.
Puede transferir el calor de una temperatura baja a una más alta por una cantidad mínima de electricidad, que puede utilizarse para hacer funcionar los radiadores y calentar el agua en una caldera.
Es posible que las bombas de calor se instalen de serie en los hogares del futuro, ya sea para mejorar la eficiencia o para satisfacer todas sus necesidades de calefacción.
Como también está vinculada al Incentivo de Calor Renovable del Gobierno y puede dar un rendimiento de la inversión equivalente a lo que la Tarifa de Alimentación prometía para las instalaciones de energía solar y eólica antes de que el plan expirara en 2019, muchos propietarios la consideran una fuente viable de energía más barata.
Conclusión
A diferencia de los hornos o los aires acondicionados, las bombas de calor son energéticamente eficientes en todos los climas. Las bombas de calor, al igual que su frigorífico, utilizan la energía para transferir el calor de un lugar frío a otro caliente, enfriando el espacio frío y calentando el espacio caliente.
Aunque aquí se han mencionado brevemente los numerosos tipos de bombas de calor, es necesario un examen más profundo de cada una de ellas para comprender adecuadamente las ventajas e inconvenientes de cada tecnología.
Preguntas frecuentes sobre la bomba de calor
1. ¿Pueden las bombas de calor producir suficiente calor para toda una casa o negocio?
Ciertamente. Siempre que se dimensionen y se ubiquen correctamente, pueden calentar la totalidad de las viviendas o negocios.
2. ¿Funcionan las bombas de calor cuando hace frío?
Definitivamente. Los reembolsos de Efficiency Maine son adecuados para el uso en climas fríos, así como para las unidades de alta eficiencia. Estos reembolsos pueden funcionar hasta -15 grados Fahrenheit.
3. ¿Por qué el aire que sale de mi bomba de calor no parece estar tan caliente como el que sale de mi horno?
Las bombas de calor y los hornos funcionan de forma diferente para proporcionar calor. Las bombas de calor ofrecen aire caliente durante más tiempo que los hornos, que suministran aire caliente en ráfagas. Aunque la cantidad global de calor producida es la misma, las bombas de calor son más eficientes y el calor constante puede aumentar el confort.
5. ¿Cuáles son las ventajas de utilizar una bomba de calor para reducir las emisiones de carbono?
Las bombas de calor calientan su casa con electricidad, por lo que su impacto en las emisiones de carbono viene determinado por la generación de energía que suministra a la red regional. El mix de generación de Maine es uno de los más limpios del país que abastece a la red. Si tiene una bomba de calor que compensa un tercio de la carga anual de calefacción de su casa y se calienta con petróleo, como la mayoría de los habitantes de Maine, la bomba de calor le ahorrará 2.400 libras de CO2 al año, lo que equivale a tres meses de conducción normal. Cuanto más equilibre su bomba de calor la calefacción de su casa con combustibles fósiles, menores serán sus emisiones de carbono.
