Colegio Oficial de Aparejadores y Arquitectos Técnicos de Bizkaia

A medida que crece el abastecimiento de electricidad a partir de fuentes renovables y las políticas para la descarbonización aumentan, son muchas las voces que afirman que el acondicionamiento térmico de edificios a partir de tecnologías eléctricas como la bomba de calor, empieza a cobrar sentido. Y más especialmente en aquellos proyectos en los que el nivel de eficiencia energética es elevado (gracias a aislamientos, estrategias de diseño, …) y requieren poca demanda energética de calefacción y refrigeración a satisfacer.

Las bombas de calor son susceptibles de uso tanto en edificios de nueva construcción como en rehabilitaciones de alta eficiencia, donde son capaces de apoyar los exigentes objetivos de uso de energía renovable de la normativa energética gracias a los altos rendimientos que son capaces de entregar.

Definiciones

Atendiendo a el documento del IDAE “Síntesis del Estudio Parque de Bombas de Calor en España” [1], una bomba de calor puede definirse como “una máquina térmica, sujeta por tanto a las leyes de la termodinámica, que transfiere el calor desde un foco frío a otro caliente con una gran eficiencia. La ventaja que poseen las bombas de calor frente a otros sistemas reside en su capacidad para aprovechar la energía existente en el ambiente (foco frío), tanto en el aire como en el agua o en la tierra, para acondicionar las dependencias interiores (foco caliente) con una aportación relativamente pequeña de trabajo en forma de energía generalmente eléctrica”.

A efectos prácticos, se puede hacer el símil de funcionamiento entre una bomba de calor y un frigorífico, ya que tienen parecida forma de funcionar: en un frigorífico el calor es extraído de la zona de almacenaje y es expulsado por la parte trasera, mientras que en una bomba de calor el proceso es inverso, ya que el calor se toma del aire, la tierra o el agua y se libera dentro del edificio. Precisamente estas tres fuentes de donde extraer calor, el aire, la tierra o el agua, serán la característica que defina las tipologías de las bombas de calor.

Para extraer ese calor del aire, la tierra o el agua, “la bomba de calor utiliza un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado que, gracias a la existencia de dos focos a diferente temperatura, transporta el calor del medio ambiente a un habitáculo a acondicionar (…), con la particularidad de invertir el flujo natural de calor, de modo que fluya desde una temperatura más baja a otra más alta”.

Figura 1: Esquema de funcionamiento de la bomba de calor. Fuente: IDAE [1]

Para poder realizar este trabajo, las bombas de calor disponen del trabajo adicional de un compresor y, por ello, cualquier bomba de calor necesita electricidad para funcionar. Sin embargo, de cara a la alta eficiencia que se les pide y que logran estos aparatos, la electricidad que debe consumir la bomba de calor debe ser mucho menor que la energía térmica que es capaz de producir.

Partiendo de la base de que las bombas de calor son claramente más “limpias” que las calderas de gas o gasoil gracias al aprovechamiento que hacen de la energía renovable que extraen del aire, el agua o la tierra, su verdadero potencial “verde” también depende de la fuente de energía eléctrica que las alimente. Por tanto, la energía primaria no renovable que consuman este tipo de maquinaria tendrá mucho que ver con el origen de la electricidad o mix energético que utilicen: si la energía eléctrica proviene directamente de fuentes renovables, el consumo de energía primaria no renovable puede ser casi nulo y por tanto calificar aún mejor en las estimaciones energéticas.

Figura 2: Ejemplo esquema de flujos de energía en una bomba de calor. Fuente: IDAE [1]

Tipologías de bombas de calor

Como se ha visto en los párrafos anteriores, las bombas de calor son capaces de extraer energía de las diferencias térmicas existentes con el aire, la tierra o el agua. En función de cuál de estos medios es el que la bomba de calor usa para intercambiar calor con el exterior, se puede hacer una primera clasificación en función de ese primer parámetro. 

• Si la bomba de calor utiliza la energía almacenada en la tierra, se denomina energía geotérmica
• Si la bomba de calor usa la energía contenida en el aire ambiente, se denomina energía aerotérmica,
• Si la bomba de calor extrae energía del agua (superficial: ríos, arroyos, lagos), se denomina energía hidrotérmica.

El segundo parámetro que define una bomba de calor es a qué medio transfiere el calor térmico. En este caso puede transferirlo a:

• Aire
• Agua

Combinado estos dos parámetros, se puede obtener la siguiente clasificación de las bombas de calor:

1. Bomba de calor aire-aire.
2. Bomba de calor aire-agua.
3. Bomba de calor agua-aire.
4. Bomba de calor agua-agua.
5. Bomba de calor tierra-aire.
6. Bomba de calor tierra-agua.

Figura 3: Esquema de funcionamiento y fuentes del calor ambiente. Fuente: IDAE [1]

Las bombas de calor más usuales son las aire-agua, donde el gas refrigerante transfiere la energía capturada en el aire, a través de un intercambiador de calor y calienta el agua de distribución de calor, ya sea en forma de suelo radiante o radiadores. Además, hoy en día la mayor parte de las bombas de calor son reversibles, es decir, que son capaces de aportar tanto calefacción como refrigeración, por lo que las convierte en instalaciones muy versátiles.

Eficiencia de una bomba de calor: diferencias entre valores COP y SPF

Los dos parámetros más utilizados para valorar la eficiencia de una bomba de calor son los coeficientes COP (Co-Efficient of Performance-Coeficiente de rendimiento) y SPF (Seasonal Performance Factor-Factor de rendimiento estacional). También es importante conocer que el equivalente al COP para el modo en refrigeración, se denomina EER (Energy Efficiency Rating).

El COP es una ratio que informa sobre el calor aportado por la bomba de calor frente a la electricidad consumida para aportarlo. En una bomba de calor de, por ejemplo, COP=4, este ratio nos quiere indica que la bomba será capaz de convertir 1 kW de electricidad en 4 kW de calor. Por tanto, el COP es la resultante entre la “energía térmica cedida por el sistema (Q) y la energía absorbida por el compresor (W) para unas condiciones dadas de temperatura y unidad a plena carga”[1]. COP=Q/W.

En la figura 4 se ilustra cómo la bomba de calor extrae 3 partes de energía del terreno (verde) y solo añade 1 parte de energía eléctrica (rojo, energía absorbida por el compreso (W)), para aportar 4 partes de energía (azul, energía térmica cedida por el sistema (Q)). COP=Q/W; COP=4/1=4. 

Figura 4: Balance energético en la bomba de calor. Fuente: IDAE [1]

Bibliografía