¿Cómo funciona la aerotermia? Un sistema eficiente y que ahorra energía

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Las Bombas de Calor (BdC) son equipos que, utilizando un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado, transfieren calor entre dos focos a diferente nivel térmico, haciendo que el citado calor fluya de una temperatura más baja a una más alta.

Es decir, las Bombas de Calor Aerotérmicas son capaces de captar energía del aire, disponible en la naturaleza e inagotable (renovable), permitiendo utilizarla para la climatización de los espacios ocupados por las personas.

Principales componentes

En el ciclo termodinámico de las bombas de calor, el estado físico del fluido contenido en el circuito frigorífico (refrigerante) se modifica para permitir la citada transferencia de calor del “foco frío” al “foco caliente” mediante la aportación de un trabajo mecánico.

Ello se realiza por medio de sus componentes principales: Compresor, Condensador, Dispositivo de Expansión y Evaporador, teniendo cada uno tiene una función destinada un proceso específico (Figura 2):

• Compresión: se eleva la presión y temperatura del refrigerante y se transfiere al mismo la energía necesaria para su movimiento a lo largo del circuito frigorífico.
• Condensación: se produce la condensación del refrigerante, cediendo calor al medio externo al condensador.
• Expansión: la válvula de expansión genera una pérdida de carga que reduce la alta presión del refrigerante procedente del condensador.
• Evaporación: el refrigerante se evapora absorbiendo calor del medio externo al evaporador.

En resumen, lo que se hace es absorber en el evaporador calor del medio frío (enfriamiento) y ceder este calor en el condensador, junto con la energía aportada al compresor para su funcionamiento, al medio caliente (calentamiento), originando la transferencia de calor antes mencionada.

En la Figura 3, correspondiente a la gráfica de presiones-entalpías representativa del ciclo frigorífico, puede observarse en el eje de abscisas cómo el tramo de entalpía correspondiente a la energía “convencional” aportada, necesaria para el proceso de compresión, es muy inferior a los tramos de entalpia correspondientes tanto al de la energía absorbida en el evaporador para la refrigeración, como al de la energía cedida en el condensador para la calefacción, mostrando gráficamente por qué los rendimientos de las bombas de calor, tanto en refrigeración como en calefacción, son muy superiores a 1.

Habitualmente está muy extendido el uso de las bombas de calor reversibles, que incorporan en su circuito un quinto elemento, la válvula de inversión o de 4-vías, que permiten invertir el sentido del flujo del refrigerante y, consecuentemente, el del calor.

De esta manera, el mismo equipo puede trabajar en modo calefacción y en modo refrigeración, ya que ambos intercambiadores pueden funcionar como evaporador o como condensador alternativamente. También es habitual utilizar la aerotermia para generar acs (agua caliente sanitaria) tal y como explicamos en nuestra infografía "aerotermia para acs".

Por esta razón en las Bombas de Calor se habla de “Unidad Exterior”, que contiene los elementos del circuito frigorífico que se sitúan en el exterior, y la “Unidad Interior”, que contiene los elementos que se ubican en el interior del local o dan servicio al mismo, incorporando ambos los respectivos intercambiadores de calor exterior e interior que funcionan como evaporador o como condensador según el modo de funcionamiento.

Como se ha mencionado anteriormente, en el caso de las Bombas de Calor Aerotérmicas, la fuente exterior es el aire ambiente, por lo que el intercambiador exterior suele ser una “batería” (intercambiador de calor aire-fluido refrigerante), en tanto que el intercambiador interior puede ser:

• También una batería, en el caso de unidades BdC Aire-Aire, que tratan directamente el aire de los espacios interiores.
• Un intercambiador de placas, multitubular o coaxial, en el caso de unidades BdC Aire-Agua que suministran agua caliente o fría para su distribución interior a los emisores (fan-coil, suelo radiante/refrescante, etc.).

Uso de Energía procedente de Fuentes Renovables

La citada Directiva 2009/28 establece que:

• la energía aerotérmica, geotérmica e hidrotérmica capturada por las bombas de calor se tendrá en cuenta a efectos del consumo de energía procedente de fuentes renovables, necesitando estos equipos de la electricidad u otra energía auxiliar para funcionar.
• solo deben tenerse en cuenta las bombas de calor cuya producción supere de forma significativa la energía primaria necesaria para impulsarlas.

Por esta razón, a efectos del cálculo de la energía renovable, debe deducirse del total utilizable la energía empleada en el funcionamiento de las bombas de calor. Para ello se estableció una metodología recogida en el Anexo VII de la mencionada Directiva, titulado “Balance energético de las bombas de calor”. De acuerdo con este anexo y con la Decisión 2013/114, de la Comisión Europea, publicada el 1 de marzo de 2013, la cantidad de energía renovable suministrada mediante tecnologías de bomba de calor (E_RES), se calcula con la fórmula:

E_RES = Q_usable x (1-1/SPF)

Siendo:

• Q_usable.- Calor útil total estimado proporcionado por la bomba de calor, expresado en GWh, obtenido mediante la fórmula Q_usable = H_HP x P_rated
• H_HP.- Número anual de horas durante las que se supone que una bomba de calor debe suministrar calor a la potencia nominal, expresado en horas.
• P_rated.- Potencia nominal o capacidad de refrigeración o de calefacción del ciclo de compresión o del ciclo de sorción del vapor de la unidad en condiciones estándar, expresado en GW.
• SPF.- Factor de rendimiento medio estacional estimativo, que se refiere al coeficiente de rendimiento estacional neto en modo activo (SCOP_net), en el caso de las bombas de calor accionadas eléctricamente.

El citado anexo de la Directiva establece un límite mínimo de rendimiento energético estacional, relacionado con la eficiencia media del sistema eléctrico europeo (ŋ):

SPF >1,15 x 1/ŋ

La Decisión establece el valor de la eficiencia del sistema de energía (ŋ) en un 45,5%, de lo que se deduce que el SPF mínimo, de corte, es 2,5. Por debajo de este valor se considera que la bomba de calor no aporta energía renovable.

A modo de reflexión, si en la formula anterior relativa al cálculo del E_RES se asigna el valor 2,5 al SPF, resultará:

E_RES = Q_usable x 0,60

Es decir, la bomba de calor aerotérmica con el menor SPF necesario para ser considerada como aportadora de energía renovable, del calor que proporciona, el 60% procede directamente de la energía capturada del aire ambiente.

En la actualidad prácticamente todas las bombas de calor con accionamiento eléctrico comercializadas tienen coeficientes SCOP_net significativamente superiores a 2,5. Por esta razón, el porcentaje de energía renovable es, en casi en casi la totalidad de los casos, netamente superior al 60% del total de la energía aportada por estos equipos, lo que es una muestra de la gran cantidad de energía renovable que son capaces de suministrar las Bombas de Calor Aerotérmicas.

Fuente del texto e imágenes: Libro La bomba de calor de AFEC