Bombas de calor: qué son y cómo funcionan

Bombas de calor explicadas de forma sencilla

Cuando se trata de sistemas residenciales de calefacción y refrigeración, pocos tipos de sistemas de calefacción son tan eficientes energéticamente como las bombas de calor. Pero, ¿qué son exactamente las bombas de calor y cómo funcionan? En pocas palabras, una bomba de calor es simplemente un dispositivo eléctrico capaz de transferir calor de un lugar a otro de manera muy eficiente, lo que también significa que pueden enfriar espacios si se invierte la dirección de la transferencia de calor. Aunque al principio pueda parecer contradictorio, lo cierto es que el calor puede extraerse del aire frío y añadirse al aire caliente.

Para explicar las bombas de calor de forma más práctica, retrocedamos un poco para comprender los fundamentos de la transferencia de calor. En primer lugar, por analogía, imaginemos el calor como una gran masa de agua. Lógicamente, el agua fluiría de un lugar más alto a otro más bajo. Del mismo modo, el calor fluye naturalmente de un lugar más caliente a otro más frío.

¿Cómo podemos extraer calor de un lugar frío y enviarlo a otro más cálido? Bueno, es un poco como mover agua de un lugar bajo a un lugar alto. Todo lo que se necesita es una bomba. En realidad, el calor se define por el movimiento de las moléculas que componen la materia. En esencia, todo el aire del mundo que está a una temperatura superior al cero absoluto (-273 °C, la temperatura a la que las moléculas dejan de moverse) contiene una cierta cantidad de calor. Técnicamente, es posible extraer calor del aire a cualquier temperatura y enviarlo a otro lugar, con un poco de energía para bombearlo a donde queramos.

¿Cómo funcionan las bombas de calor para ser más eficientes que otros tipos de calefacción eléctrica?

Permítanme utilizar otra analogía que escuché hace poco para explicar con más detalle cómo las bombas de calor funcionan de forma más eficiente que un sistema de calefacción eléctrico o los calefactores de zócalo: imaginemos por un momento un ascensor en un edificio alto. Los ascensores utilizan un motor eléctrico y engranajes para elevar a los pasajeros, pero es la gravedad la que hace que la jaula del ascensor vuelva a la parte inferior del edificio, así que utilizan mucha más electricidad cuando suben (el camino de mayor resistencia, equivalente a la calefacción por resistencia eléctrica que se utiliza en los calefactores eléctricos y los calefactores de zócalo) que cuando bajan (el camino de menor resistencia, equivalente al uso de electricidad para accionar el compresor de una bomba de calor).  

Casualmente, investigadores del Instituto Internacional de Análisis de Sistemas Aplicados (IIASA) han concebido un sistema basado en la gravedad que utilizaría los ascensores de los edificios altos para generar y almacenar electricidad. El Bullitt Center de Seattle ya utiliza un ascensor modificado con freno regenerativo que consume un 60% menos de electricidad.

¿Se utilizan mucho las bombas de calor? ¿Son una tecnología probada?

Las bombas de calor son muy comunes en nuestra vida cotidiana. De hecho, este proceso exacto de transferencia de calor desde donde no se desea a donde se desea está funcionando en nuestros hogares ahora mismo, todos los días, ya que los refrigeradores son en realidad una forma típica de bomba de calor.

El ciclo refrigeración / calefacción en las bombas de calor

Cuando se trata de enfriar, las bombas de calor y los refrigeradores funcionan prácticamente de la misma manera. El calor se extrae del aire que no se desea y se traslada al exterior del espacio que hay que enfriar. Las bombas de calor tienen tres componentes principales: el evaporador, el compresor y el condensador. Cada uno de ellos desempeña un papel fundamental en la forma en que las bombas de calor trasladan el calor de un lugar a otro. Las bombas de calor son capaces de extraer calor del aire utilizando un refrigerante líquido (del que hablaremos más adelante) para absorber y eliminar el calor.

El proceso de cuatro pasos de un refrigerador o una bomba de calor consiste en convertir el refrigerante líquido en gas, volver a convertirlo en líquido y mediante un ventilador, distribuir eficazmente el aire frío (como los sistemas de los refrigeradores con ventilador de gama alta). Este proceso se denomina correctamente "conversión de fase" o, en términos más sencillos, ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que es un nombre elegante para un proceso termodinámico que se utiliza habitualmente para aplicaciones de transferencia de calor.

Para explicarlo, los cuatro pasos básicos de una bomba de calor funcionan del siguiente modo:

1. El proceso comienza cuando el refrigerante se encuentra en un estado conocido como vapor saturado. Este vapor saturado entra en un compresor donde aumenta la presión y en consecuencia, también la temperatura.
2. Después, el vapor caliente pasa por un condensador, donde se vuelve a condensar en forma líquida. El resultado de esta condensación es la pérdida de calor del refrigerante. Esto es lo que está ocurriendo ahora mismo en todos los refrigeradores domésticos y la razón por la que está caliente por detrás, ya que el calor se disipa a través de las aletas de refrigeración.
3. Luego, el refrigerante líquido pasa por una válvula de expansión, donde la presión cae y el líquido se enfría mucho más. En este punto, el fluido suele estar más frío que el espacio que hay que refrigerar.
4. Por último, el fluido frío, que ahora está parcialmente evaporado debido a la caída de presión, pasa a través de un evaporador, que suele consistir en una batería o tubos largos. Posteriormente, un ventilador sopla aire sobre la batería o los tubos, enfriando el aire. Esto hace que el refrigerante se evapore dentro de los tubos, devolviéndolo a su estado original de vapor saturado.

Básicamente, lo que ocurre es que un refrigerante se ve obligado a pasar por ciclos de condensación y evaporación en los que la temperatura y la presión aumentan y disminuyen considerablemente. Estas fluctuaciones de temperatura se utilizan entonces para calentar o enfriar una corriente de aire o agua, dependiendo de la aplicación.

¿En qué se diferencia una bomba de calor de un refrigerador?

Las bombas de calor domésticas equipadas con funcionamiento reversible pueden proporcionar tanto calefacción como refrigeración invirtiendo el flujo de calor del exterior al interior, algo que no suele ser útil para un refrigerador. Algunos modelos pueden utilizarse incluso para aumentar de forma eficiente y económica el calentamiento de agua caliente sanitaria. El funcionamiento de las bombas de calor en climas fríos y su eficiencia dependen del tipo de instalación de bomba de calor elegido.

1. Los sistemas de bomba de calor central Aire a Aire extraen el calor del aire exterior y condensan esa energía hasta que está lo suficientemente caliente como para mantener a todo el mundo cómodamente caliente dentro de la casa en invierno o lo contrario en verano, manteniendo los interiores cómodamente frescos cuando hace calor.
2. Las bombas de calor geotérmicas aprovechan la energía térmica almacenada en el agua bajo la superficie terrestre para calentar viviendas y empresas, pero debido a su coste y a las complicaciones que pueden ocasionar problemas de fiabilidad, en general recomendamos reservarlas para su uso en grandes superficies.
3. Las bombas de calor sin conductos, a diferencia de los sistemas de bomba de calor de aire central, suministran aire caliente o frío directamente a los espacios habitables de la vivienda a través de climatizadores individuales. Suelen instalarse en viviendas tradicionales con calefacción sin conductos, pero es preferible reservarlas para un uso complementario como una renovación de la calefacción en la que el segundo sistema de calefacción original sigue siendo una fuente de calor de apoyo para la bomba de calor en climas muy fríos o en caso de cortes de electricidad.

Si ya está calentando una casa con una caldera central de aire alimentada con combustibles fósiles que necesita ser sustituida, el cambio a una bomba de calor central de alta eficiencia ofrece una forma energéticamente eficiente y más sostenible de mantenerse caliente en invierno o fresco en pleno verano.

Esto explica un poco la ciencia que hay detrás de las bombas de calor, pero ¿qué es exactamente lo que hace que las bombas de calor sean tan interesantes para la calefacción y la climatización de viviendas? ¿Y cuáles son las mejores bombas de calor por su eficiencia y fiabilidad y cuáles funcionan mejor en climas fríos? Las ventajas de las bombas de calor son muy numerosas, repasemos ahora algunas de ellas.

¿Qué ventajas tiene la calefacción con bomba de calor?

En primer lugar, la cantidad de energía que se necesita normalmente para hacer funcionar el compresor y los ventiladores o bombas de una bomba de calor suele ser significativamente menor que la cantidad de calor que se puede mover o en términos prácticos, "generar". El rendimiento de una bomba de calor suele medirse por el llamado "coeficiente de rendimiento" o COP. El COP es la cantidad de calor suministrada o transportada, dividida por la cantidad de energía necesaria para transportar ese calor. El COP de una bomba de calor residencial media suele rondar el 3, lo que significa que por cada unidad de energía que se introduce en el sistema de calefacción, se transfieren 3 unidades. Si esto se compara con un calefactor eléctrico de zócalo, que tiene un COP de 1 (cada unidad de energía que se introduce en un zócalo eléctrico sale en forma de calor), las bombas de calor de repente resultan muy atractivas.

Otra ventaja interesante de las bombas de calor en comparación con otros sistemas residenciales de calefacción o refrigeración es que una bomba de calor puede configurarse para calentar y refrigerar. El ciclo termodinámico descrito anteriormente puede invertirse para pasar de una función a otra. En lugar de tomar calor del exterior para calentar una vivienda por dentro en invierno, una bomba de calor reversible también puede tomar calor del interior y lanzarlo al exterior para enfriar las viviendas en verano.

Esto puede ayudar a ahorrar dinero en el precio de compra y en los costes de mantenimiento, ya que así tenemos una máquina haciendo el trabajo que antes hacían dos. Esto también puede ayudar a ahorrar espacio de almacenamiento en el sótano, puesto que las bombas de calor centrales suelen ser más pequeñas que un conjunto equivalente de horno de gas y aire acondicionado.

Otras ventajas interesantes son el aumento de la calidad del aire interior, ya que no se queman ni agotan combustibles y el sistema siempre introduce aire fresco en la vivienda. Las bombas de calor también son bastante versátiles; pueden utilizarse para calentar el aire que entra del exterior o como bomba de calor aire-agua para generar agua caliente de uso residencial. Las bombas de calor también se utilizan junto con la calefacción y refrigeración geotérmicas, en las que el calor se extrae o se devuelve al suelo.

Las bombas de calor pueden parecer un dispositivo mágico capaz de todo; sin embargo, tienen algunos inconvenientes importantes. En primer lugar, su rendimiento depende en gran medida del clima. En climas muy fríos, donde la temperatura desciende a menudo por debajo de -10 grados centígrados, las bombas de calor pueden perder eficacia, a menos que se tenga cuidado de elegir la última generación de bombas de calor para climas fríos.

Aunque todavía se puede extraer calor del aire frío, únicamente las mejores bombas de calor son adecuadas para temperaturas muy frías por dos motivos: 1) el COP tiende a disminuir significativamente en climas muy fríos, anulando así la ventaja de la eficiencia; 2) en climas más fríos, la demanda de calefacción de una vivienda tiende a ser mucho mayor que la demanda de refrigeración. Tanto es así que en viviendas moderadamente aisladas puede resultar poco práctico tener una bomba de calor como única fuente de calor.

¿Funcionan las bombas de calor en climas fríos?

En general, en los climas más fríos, a menos que la vivienda sea excepcionalmente eficiente, se ha recomendado tradicionalmente respaldar una bomba de calor con zócalos eléctricos o alguna otra forma de calefacción para garantizar que la casa se mantenga caliente durante los días más fríos del invierno. Sin embargo, se puede argumentar a favor de invertir en aislamiento adicional en las viviendas nuevas, en lugar de en generación de calor adicional, para que la bomba de calor pueda funcionar con una eficiencia más óptima, ya que se necesitaría menos capacidad.

Además, con la cantidad adecuada de aislamiento y una vivienda correctamente diseñada para obtener ganancias de calor solar pasivo, es posible incluso calentar con seguridad las viviendas durante los días más fríos del invierno con tan solo una bomba de calor. Tenga en cuenta que, aunque el sistema puede ahorrar dinero a largo plazo, los costes iniciales de las bombas de calor tienden a ser un poco más elevados que los de otros sistemas, especialmente si también se requiere un segundo sistema de calefacción de apoyo.

Por último, el calor generado por una bomba de calor suele ser menos intenso que el de un calentador convencional. Por ejemplo, una bomba de calor suele generar calor a temperaturas de entre 32 y 37 grados centígrados, que es ligeramente inferior a la temperatura corporal. En comparación, una típica caldera de gas fósil genera calor a una temperatura cercana a los 50 grados Celsius, mucho más agradable en un frío día de invierno. A algunas personas este calor a baja temperatura les resulta un poco incómodo cuando hace frío, sobre todo en una casa mal aislada.

Por eso, a la hora de comprar un nuevo sistema central de calefacción y refrigeración para el hogar, hay que pensar en una bomba de calor, sobre todo teniendo en cuenta que muchos estados están prohibiendo los sistemas de calefacción basados en combustibles fósiles. El sentido que tenga dependerá de lo bien aislada que esté la casa, de la zona climática y de la mentalidad sostenible de los futuros propietarios.

En una casa superaislada, una bomba de calor podría proporcionar todo el calor y el confort necesarios, pero en una casa construida según las normas mínimas podría ser prudente contar con una fuente de calor de apoyo. Así que, como propietario o constructor, aquí es donde hay que decidir entre invertir en aislamiento o en un sistema de calefacción adicional. En cualquier caso, las bombas de calor son sin duda una fuente de calefacción y refrigeración muy eficiente para los hogares y en muchos casos, las ventajas pueden superar a los inconvenientes.