La bomba de calor se remonta a principios del siglo XX, con la invención del frigorífico. En la base del funcionamiento de la bomba de calor compiten una serie de fenómenos y leyes de la física: El segundo principio de la termodinámica: „El calor nunca puede pasar por sí solo de un cuerpo de menor temperatura a uno de mayor temperatura. (Declaración de Clausius) así como el descubrimiento del físico Watt: un gas comprimido emite calor y viceversa, uno relajado - absorbe calor.

¿Por qué nos interesa la bomba de calor?

En constante búsqueda de las mejores soluciones de generación de energía analizamos en este artículo bomba de calor en todas sus variantes.

Todo el esfuerzo de los especialistas por encontrar recursos térmicos no contaminantes o al menos que contaminen en pequeña medida y la transición a su uso masivo, para la calefacción de viviendas, ha llamado la atención sobre la implantación de la transferencia de calor y la aparición de la cada vez más famosa bomba de calor. . La bomba de calor es, por su eficiencia y el uso de recursos menos contaminantes que otros sistemas de calefacción o refrigeración, una de las soluciones preferidas como sistema alternativo de instalaciones para proyectos de viviendas o edificios con consumo casi nulo y según la situación se utilice en la casa activa.

Que es bomba de calor ?

En pocas palabras podemos decir que la bomba de calor atrae y cede el calor de una de las fuentes para las que está diseñada (ya se trate de tierra, agua o aire) y mediante un compresor, siguiendo exactamente el principio del frigorífico, eleva la temperatura de un refrigerante con un punto de ebullición muy bajo (alrededor de -2 °C), trasladando la temperatura del medio calefactor que circula por el sistema de calefacción independientemente del sistema a los cuerpos estáticos utilizados (radiadores, suelo, ventilación, etc.). La bomba de calor se caracteriza de forma muy sencilla por el modo de funcionamiento muy parecido al de los frigoríficos con compresor: un gas comprimido emite calor y en sentido contrario, uno relajado, absorbe calor.

Cómo funciona la bomba de calor

La bomba de calor necesita una fuente permanente de electricidad. Es obligatorio conectarse a una fuente permanente, si es posible a la red pública, si no preferible, por bajo consumo a un sistema de paneles solares fotovoltaicos o, por qué no, a aerogeneradores, sistemas alternativos, etc. La fuente eléctrica alimentará al compresor que comprime el refrigerante, para alcanzar la temperatura utilizada para calefacción y preparación de agua caliente sanitaria. Cuando los vapores de refrigerante lleguen al condensador de la bomba de calor, estará rodeado de calor. La temperatura del agente térmico es inferior a la temperatura del refrigerante, en estado de vapor, por lo que los vapores se enfriarán y condensarán. En este momento, el calor es absorbido por el evaporador, incluido el calor generado durante el proceso de compresión, una cantidad considerable del cual se libera al condensador y se transfiere al agente térmico en forma de energía útil para calentar. Luego, el agente de transferencia se devuelve al vaporizador, a menudo utilizando una válvula de expansión. El refrigerante cambia así de la alta presión del condensador a la baja presión del evaporador. Con la entrada en el evaporador, aquí se alcanzan nuevamente los valores encontrados al inicio del proceso y se cierra el circuito.

Los refrigeradores, así como los acondicionadores de aire, son ejemplos clásicos de bombas de calor que ya existen en los hogares y funcionan solo en modo de enfriamiento. En realidad, un frigorífico no es más que una caja bien aislada desde el punto de vista térmico y con un sistema de bomba de calor conectado. El serpentín del evaporador se encuentra en el interior y generalmente se encuentra en el compartimiento utilizado para la congelación. El calor se absorbe del congelador y se envía al exterior, generalmente detrás o debajo de la unidad donde se encuentra el serpentín del condensador. Un acondicionador de aire que transfiere calor desde el interior de una casa hacia el exterior funciona casi de manera similar. Así que el sistema de bomba de calor lo tenemos en nuestras casas desde hace tiempo, solo que no se ha utilizado en los dos sentidos.

La bomba de calor se puede utilizar sin la existencia o el apoyo de otras fuentes de calor.

Según el criterio de funcionamiento encontramos bombas de calor de régimen

  • Monovalente: la bomba de calor es la única fuente de calefacción - utiliza electricidad de la red pública u otras fuentes para hacer funcionar el compresor
  • Bivalente - paralelo: se puede montar y utilizar en paralelo con la bomba de calor y otra fuente de calor; cuando la fuente de calor paralela es la electricidad, el sistema se denomina bivalente - monoenergético paralelo;
  • Bivalente - alternativa: la bomba de calor funciona alternativamente con otra fuente de calor;
  • Bivalente - parcial - paralelo: la bomba de calor trabaja en paralelo o alternativamente con otra fuente de calor.

La bomba de calor tiene un ciclo completamente reversible y puede proporcionar control sobre el ambiente interior para calentar en invierno y enfriar o deshumidificar si es necesario en verano. Dado que el suelo o el aire exterior siempre contienen calor, ¿por qué no usar una bomba de calor para calentar y enfriar la casa? Uno de los principios que se utilizan en la bomba de calor es que el aire a una temperatura de -18 °C tiene en su composición alrededor del 85% de la energía que contiene a 21 °C.

¿Cuáles son los tipos de bombas de calor?

Hay dos tipos principales de bomba de calor nombrados según el sistema utilizado

  • Bomba de calor con compresión que siempre trabaja usando energía mecánica a través de energía eléctrica
  • Bomba de calor de absorción que puede funcionar con calor como fuente de energía (a través de electricidad o combustible).

Se han utilizado varias fuentes como fuentes de calor para calefacción.

Bomba de calor en fuente de aire (extrae calor del aire exterior)

  • bomba de calor aire-aire (transfiere la energía térmica del aire del interior)
  • bomba de calor aire-agua (transfiere calor a un tanque de agua)

Bomba de calor geotérmica (extrae calor del suelo o fuentes similares)

  • bomba de calor de aire geotérmico (transfiere energía térmica al aire interior)
  • bomba de calor tierra-aire (el suelo es una fuente de calor)
  • bomba de calor roca-aire (la roca es una fuente de calor)
  • bomba de calor agua-aire (agua como fuente de calor)

Bomba de calor de agua geotérmica (transfiere calor a un tanque de agua)

  • bomba de calor tierra-agua (el suelo es la fuente de calor)
  • bomba de calor roca-agua (la roca es la fuente de calor)
  • bomba de calor agua-agua (cuerpo de agua como fuente de calor)

Bombas de calor agua subterránea

La solución anticongelante llamada glicol circula por el circuito de tuberías enterradas en el suelo de la fuente de calor y toma el calor de la tierra a través de un intercambiador de calor horizontal o vertical. Este calor es absorbido y transferido al sistema de calefacción de la caja de transferencia por medio de un compresor y transportado al condensador. En el condensador el agua del sistema de transferencia de calor incorpora el calor absorbido en el evaporador y suministra energía al compresor.

Según la ubicación de los colectores, distinguimos varios tipos de bombas de calor con colectores:

- planas: tienen el sistema de colectores en varias formas (U o espirales) enterrados a una profundidad media de 1-2m. Es un sistema económico altamente eficiente pero no puede ser enterrado en ningún suelo y necesita un área de casi el doble de la superficie habitable.

- profundidad: estos componentes incluyen pozos montados a una profundidad de 50-100m y tiene una eficiencia muy alta. Los costos de instalación son significativos debido a las perforaciones que tienen precios que varían entre 100 y 300 lei / metro. Son utilizables solo si el suelo lo permite.

- con vaporización directa: tienen un circuito de captación especial además de los planos y por ello son más eficientes o pueden ocupar espacios más reducidos.

Bombas de calor agua-agua

 

El calor del agua subterránea o superficial bombeada se utiliza para transferir el calor transportado por el compresor al condensador. Una vez allí, se utiliza el sistema de bomba de calor Sol-Apa. Estos son los más eficientes aprovechando la caída de fuentes geotérmicas con temperaturas superiores a los 8 grados centígrados pero también los más difíciles de aprovechar tanto por la disponibilidad del recurso como por la normativa legal para su excavación. La bomba de calor agua-agua tiene un papel especialmente importante en la industria o en el máximo aprovechamiento de las fuentes geotérmicas. Aguas residuales o agua geotérmica con temp. se pueden capitalizar con éxito máximas de 28-30 ºC En el caso de las aguas geotérmicas se puede multiplicar la fuente por el uso en cascada de varios PDC. Obviamente, se tendrá en cuenta la calidad del agua, este impedimento se puede evitar utilizando intercambiadores de calor adecuados (anticorrosivos).

La bomba de calor agua-agua también se puede utilizar aprovechando agua de lagos, ríos, aguas de túneles, presas (que tengan temperaturas >8ºC). El sistema agua-agua también se denomina sistema de captura de bucle abierto. La velocidad del flujo de agua a través del evaporador no debe superar los 0.8 m/s.Este tipo de bomba de calor puede alcanzar el COP más alto de todos los tipos a los que nos referimos.Un sistema agua-agua de este tipo puede alcanzar fácilmente un COP = 5 y puede incluso superarlo si está bien hecho y correctamente dimensionado. También puede proporcionar una potencia impresionante que alcanza los miles de kW, en una sola unidad o acoplando varias unidades de menor potencia. Sin embargo, hasta la fecha, al menos en Europa, no es la bomba de calor más común. Las razones son varias: la calidad del agua debe coincidir prácticamente con la calidad del agua potable; el agua extraída de los mantos freáticos debe ser reinyectada al suelo (el pozo de inyección debe estar situado al menos 15m aguas abajo del sentido del flujo del agua en el manto freático) por cada kW de instalación térmica se requiere un volumen mínimo de 160 litros/hora , es decir 0.16 m8/hora (a min XNUMX ºC), el caudal debe estar asegurado en todo momento por el pozo de extracción;. En la UE hay una normativa muy estricta sobre este tipo de perforaciones.

Bombas de calor Aire-Agua

 

El calor del aire exterior alimentado con un ventilador o el aire del sistema de ventilación es transportado por el evaporador al medio de transferencia de calor y luego por el compresor al condensador. Este sistema de transferencia de calor consiste en un circuito de líquido, utilizado para la calefacción de la vivienda y/o para la producción de agua caliente sanitaria. Estos sistemas son ineficientes, en su versión actual las bombas de calor agua-agua tienen el ratio de eficiencia más bajo por lo que el coste es menor. Estas bombas no pueden funcionar monovalentemente a temperaturas inferiores a 15 grados centígrados.

Bombas de calor aire-aire

El calor del aire exterior suministrado con un ventilador o el aire del sistema de ventilación es entregado por el evaporador al medio de transferencia de calor y transportado por el compresor al condensador. El sistema de transferencia de calor consiste en un sistema de conductos de aire o aparatos específicos que se utilizan para calentar el edificio. Se utilizan en contadas ocasiones en sistemas de calefacción, debido a la baja eficiencia del aerotermo (los sistemas conocidos con el nombre genérico de “climatización” son en realidad bombas de calor aire-aire y su COP es inferior a 3).

Bombas de calor con intercambiadores de calor Ultraflex

El sistema Ultraflex ya no tiene un intercambiador intermedio como el que se encuentra en la mayoría de las bombas de calor del mercado, por lo que el sistema tiene un COP muy alto en comparación con otras bombas de calor, una confiabilidad mucho mayor y una vida útil y garantía muy largas y su precio de compra. es muy atractivo Sin embargo, tiene una variación de potencia extremadamente amplia (dichos sistemas actualmente no están limitados en términos de potencia y ofrecen un rendimiento sin precedentes).

  • el tamaño del objetivo a calentar (superficie habitable y calentada, la altura media de las habitaciones). Espacio disponible (no construido) alrededor de la lente.
  • el área geográfica en la que se encuentra el objetivo;
  • las posibilidades de instalar otros sistemas de calefacción (gas, combustible líquido, gas licuado, etc.);
  • las posibilidades in situ de capitalización de la “fuente fría” (agua, aire, suelo); la existencia de otras fuentes de calor (para establecer el modo de funcionamiento de la bomba de calor)
  • condiciones de alimentación (red monofásica o trifásica, potencia eléctrica máxima permitida en la conexión eléctrica).

¿Cuánto cuesta la bomba de calor?

Sin duda, el coste de utilizar un sistema de calefacción con bomba de calor es muy inferior al de un sistema de calefacción convencional. La diferencia viene de un consumo de 1kw de energía eléctrica hasta que la bomba de calor se transforma o puede producir 3-5 kw de energía térmica. Una muy buena relación en comparación con otras soluciones clásicas. El rendimiento energético observado en la bomba de calor viene dado por el COP y se define como la relación entre la cantidad de calor extraído del condensador y la electricidad consumida por el compresor. Desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, en comparación con la bomba de calor pero también considerando el confort de uso, podemos decir que los residuos que quedan al calentar con combustibles sólidos no son despreciables ni la perspectiva de su aumento constante y previsto en los precios del gas natural. .líquidos o electricidad.

En varios programas para fomentar el consumo responsable como "Green House", los propietarios que equiparon sus hogares con un sistema basado en la bomba de calor pudieron beneficiarse de una financiación del estado, esta última vez fue de 8000 lei. También eran liquidables los gastos de montaje o puesta en marcha del sistema, así como el impuesto sobre el valor añadido, el IVA de estos gastos.

El precio de la bomba de calor tipo Sol-Aer oscila entre los 2400 euros para una potencia de aproximadamente 7,5 Kw y puede llegar a los 12.000 euros para las de aproximadamente 50Kw. Se puede considerar un precio aproximado de 280 euro/Kw dependiendo de la necesidad y la superficie a calentar.

El precio de la bomba de calor Apa-Apa es medio comparado con el resto de bombas de calor y oscila entre los 1900 euros para las pequeñas de 6 Kw y puede llegar a los 15.000 euros para las de 50 Kw. Se puede considerar un precio aproximado de 260 euro/Kw dependiendo de la necesidad y la superficie a calentar.

El precio de la bomba de calor aire-agua es el más bajo en comparación con los otros sistemas de las bombas de calor y varía entre 2100 euro / 6 Kw y puede llegar a 9000 euro por 35 Kw. Se puede considerar un precio aproximado de 240 euro/Kw dependiendo de la necesidad y la superficie a calentar.

Otras observaciones importantes

Según las normas europeas, el cálculo de la carga térmica requerida está relacionado con el metro cuadrado de superficie, [W/m²], teniendo en cuenta la altura máxima de la habitación H = 3m (altura típica de la mayoría de las habitaciones - En casos atípicos la se harán las correcciones necesarias).

Por ejemplo, si un edificio tiene un requerimiento térmico de 50W/m² y una superficie habitable requiere calefacción de 350m² (H = 3m) la potencia térmica de la central térmica (independientemente de su tipo) será de 250mpx50W/m² = 12500W = 12.5kW. (La altura se especifica solo en casos atípicos)

El dimensionamiento correcto de una bomba es esencial para su vida útil. Una bomba de calor sobredimensionada, además de ser más cara, tiene un régimen de funcionamiento incorrecto con arranques y paradas más frecuentes. Una bomba de calor de tamaño insuficiente funciona mejor con pausas breves. Sin embargo, es preferible, si no hay alternativa, subdimensionar la bomba (dentro de ciertos límites) que sobredimensionarla.

Para una casa de 200 m8 de superficie útil, donde es suficiente una bomba de calor aire-tierra de 10 - 60.000 Kw, el coste total es de unos XNUMX lei y varía según la marca elegida.

Debido al precio relativamente alto de las bombas de calor, no es económico calentar espacios mal aislados que requieren alta potencia térmica. Es mejor aislar el edificio que aumentar la potencia de la fuente de calefacción. La potencia frigorífica (EER) se tiene en cuenta a la hora de determinar la potencia de una bomba de calor reversible. La potencia frigorífica es siempre superior a la potencia calorífica.

Por ejemplo, las normas DIN 4701 relativas a las condiciones que deben cumplir los edificios con calefacción en Alemania son, en su evolución:

  • 45-60 W/m² obra nueva (regulación desde 2002)
  • 50-60 W/m² obra nueva (regulación desde 1995)
  • 70-90 W/m1995 construcciones anteriores a XNUMX
  • 120 W/m² construcciones antiguas realizadas sin ningún tipo de normativa

En el caso de un edificio con muy mal aislamiento térmico, la inversión en una bomba de calor no es rentable.

Calderas de bomba de calor

Además de las mencionadas anteriormente en este artículo, creemos que es importante tratar las calderas de bomba de calor por separado debido al amplio potencial de cobertura que ofrecen. Funcionan según el principio de las bombas de calor aire-aire, almacenándose el agua calentada en una caldera que forma un cuerpo común con la bomba de calor. La bomba de calor aire-aire tiene un rendimiento máximo cuando la temperatura ambiente está por encima de los 15 grados centígrados, pero también puede funcionar a temperaturas de -5 grados centígrados. Si eliges el lugar adecuado para montar la caldera con bomba de calor, en una estancia donde haya una calefacción central u otro equipo que genere calor, desde el frigorífico hasta los servidores, etc., podrás asegurar el funcionamiento óptimo de estas calderas con calor. bombas, durante el invierno con costos bajos. Las calderas también están equipadas con calentadores eléctricos para situaciones en las que se requiere un rápido calentamiento del agua. Otra opción útil es el hecho de que el flujo de aire forzado se puede utilizar para bajar la humedad del aire o para enfriar algunos grados la habitación en la que está instalada la caldera de bomba de calor.

Fuentes utilizadas para este artículo

  1. Remus Răduleț et al. El léxico técnico rumano, Bucarest: Editorial Técnica, 1957-1966.
  2. El volumen de Sistemas y Equipos del Manual de ASHRAE, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004
  3. Fundamentos de termodinámica de ingeniería, por Howell y Buckius, McGraw-Hill, Nueva York
  4. Bomba de calor - detalles completos

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