Sobre la integración de sistemas térmicos y eficiencia energética. Bombas de calor

Las integraciones energéticas son uno de los aspectos más importantes que, ingenieros y técnicos trabajan en su día a día. Tanto en los procesos industriales como en la vida cotidiana, tratar de mejorar la eficiencia y la eficacia de productos, máquinas y sistemas se ha convertido en una prioridad para el ahorro energético y la lucha contra el cambio climático.

La bomba de calor, es una de las máquinas térmicas que presenta un alto rendimiento, eficiencia y versatilidad. Su  elevado rendimiento térmico en la transferencia energética con respecto a su consumo hacen de ella una de las máquinas más eficientes en la actualidad. En cuanto a su versatilidad, ésta tiene la ventaja de poder integrar dos procesos termodinámicos (evaporación y condensación) y, en función de las condiciones ambientales demandadas, puede actuar como calefacción o bien, como refrigerante.

Aunque las disposiciones técnicas pueden ser variadas, para que nos hagamos una idea de qué es una bomba de calor y para qué sirve, vamos a atender al siguiente esquema:

Figura 1. Esquema de una bomba de calor con la integración de sus dos procesos termodinámicos e instrumentación.

Esta máquina tiene como objetivo transferir la energía (calor) desde el foco frío al foco caliente y viceversa. Puesto que este proceso es inverso a la segunda ley de la termodinámica, debemos aplicar energía para que esto pueda ocurrir. Esta energía es aplicada a través de un compresor de émbolo-pistón o turbina a un fluido, normalmente con un bajo punto de ebullición.

La dinámica del proceso es la siguiente: El fluido con bajo punto de ebullición, pasa ha estado gaseoso a través del calor latente de vaporización que éste absorbe en el foco frío (evaporador) debido a que el fluido termodinámico se encuentra a menor temperatura que en el exterior. A continuación, este gas pasa por el compresor donde consume la energía aportada, aumentando su temperatura  y su presión de tal forma que, cuando entre en el condensador, éste ceda el exceso de calor para que  nuevamente se condense. Es por tanto, que el evaporador como el condensador, son dos cambiadores de calor, normalmente de tipo "contracorriente" donde el calor intercambiado es el correspondiente al calor latente de vaporización y al calor transferido por la diferencia de temperatura entre el fluido termodinámico de la bomba y el aire del ambiente exterior. 

El ciclo concluye cuando el fluido en forma líquida (prácticamente en su totalidad) pasa a través de una válvula de expansión en la cual, éste reduce drásticamente su presión y, consecuentemente, su temperatura, para nuevamente comenzar el ciclo en el evaporador.

Como hemos comentado anteriormente, cabe mencionar la versatilidad de la bomba de calor, ya que ésta queda provista de una válvula inversora de ciclo que, en función de la demanda térmica del ambiente, puede calentar o refrigerar invirtiendo el proceso.

Si hablamos del rendimiento y la eficiencia, como máquina térmica, tenemos que atender al teorema de Carnot y por tanto, éste será mayor cuanta mayor diferencia térmica exista entre el foco frío y el foco caliente. Si establecemos el caudal de calor en función del calor transferido al foco caliente, éste será la sumatoria del caudal de calor extraído en el foco frío y la energía entregada en el compresor:

                                                                  Qc = Qf + W

En particular, para calcular el rendimiento de las bombas de calor se recurre a un coeficiente denominado “coeficiente de rendimiento” (Coefficient of performance), "COP". Dependiendo de cuál sea la función que desempeñe la bomba, el COP puede calcularse en dos expresiones:

-          Si actúa como máquina térmica de refrigeración:

                                                               COP = Qf / W 

-          Si actúa como máquina térmica de calefacción, la expresión queda:

                                                  COP = Qc / W = (Qf + W) / W

Este COP tiene valores comprendidos entre 2 y 6. El hecho de que presente valores por encima de la unidad se debe a que éste sistema transfiere calor de un foco a otro utilizando energía en vez de utilizar esa energía en forma de combustible o resistencias eléctricas para producirlo.

En otras palabras, el COP es una medida de rendimiento que relaciona la energía entregada entre la energía consumida, y que para el caso de las bombas térmicas, éste es muy superior al de cualquier otro motor, máquina térmica o radiador eléctrico. Pueden entregar entre 2 y 6 kW térmicos por cada 1 kW eléctrico consumido.

En cuanto a la instalación de estos sistemas, las bombas de calor pueden ser instaladas tanto en edificación civil, es decir, viviendas unifamiliares, bloques de pisos y oficinas donde los requerimientos energéticos pueden ser menores hasta procesos industriales donde se necesite una demanda energética más elevada.

Adjunto ilustramos un vídeo explicativo de un sistema de calefacción/refrigeración a través de bomba de calor para viviendas unifamiliares:

Un saludo y hasta Pronto!