La bomba de calor aire-agua: ¿cómo funciona?

Este aparato de calefacción de moda, que es popular por su uso de la energía renovable del aire, a menudo sigue siendo un misterio en cuanto a su funcionamiento. Al leer este artículo comprenderá el principio de las bombas de calor aire-agua.

Una bomba de calor aire-agua absorbe calorías del aire exterior gracias al carácter endotérmico de la reacción de evaporación de un refrigerante. Distribuye las calorías al agua en la red doméstica gracias a la propiedad exotérmica de la condensación del mismo refrigerante.

La definición anterior es la forma "complicada" de explicar, pero se puede simplificar y cuando se entiende se puede explicar en detalle

Se explica el principio de funcionamiento de la bomba de calor Aire-Agua.

Analogía de la nevera

Todos tenemos una nevera en casa. Si quieres que funcione, es mejor dejar la puerta cerrada. La razón es sencilla y todos somos intuitivamente conscientes de ello. Es porque hay que limitar el tamaño del volumen a enfriar. Sólo quieres enfriar los alimentos que están en la nevera.

Pero, ¿qué pasa si abres la puerta de la nevera? Puedes imaginar que la comida se calentará en el aire. El frigorífico sigue funcionando porque no sabe que la puerta está abierta. Por eso, sin saberlo, intenta enfriar un volumen demasiado grande para su pequeño compresor, intenta enfriar toda la habitación.

El resultado es que su pequeño compresor siempre está funcionando. Se fija en el punto de referencia que tiene que alcanzar, y hasta que lo consigue, sigue avanzando. Y el condensador de la parte trasera de tu nevera está trabajando a pleno rendimiento. Se condensa, se condensa, por lo que se calienta porque la condensación es una reacción que libera calor (exotérmica).

Su frigorífico se ha convertido en un calentador: tiene delante el volumen de la habitación a enfriar cuando su puerta está abierta. Para él es casi infinito e imposible de enfriar. Así que funciona en bucle y se calienta por condensación.

El mismo principio se aplica a la calefacción de su casa con una bomba de calor. Salvo que no se "abre la puerta" al volumen de la habitación, sino a todo el entorno exterior, el jardín, el planeta. Así que tenemos una fuente "infinita" para enfriar. De este modo, es posible calentar la casa mediante la condensación en el condensador del agua de la red doméstica: el refrigerante redistribuye las calorías tomadas del aire exterior.

Es contraintuitivo tomar calorías del aire frío

Puede parecer contradictorio calentar una habitación utilizando la energía del aire exterior, cuando fuera hace mucho frío en invierno (-10 / -15°C). Y es precisamente en invierno cuando más debe calentar.

Pero es importante saber que, sea cual sea la temperatura del aire, éste sigue conteniendo calorías que pueden extraerse. Por supuesto, cuanto más frío y seco es, menos calorías contiene, y por eso las bombas de calor funcionan un poco menos en invierno. Es decir, utilizan más electricidad para proporcionar la misma cantidad de calefacción.

Este hecho es naturalmente contrario a la intuición porque sabemos instintivamente que el calor siempre fluye desde el entorno más cálido al más frío. Ya sabes que si abres la ventana en invierno en mitad de la noche, pronto estarás tiritando porque todo el calor de la casa habrá salido por la ventana.

La magia de la bomba de calor es que consigue lo contrario. Es decir, el paso del calor del ambiente más frío al más cálido. De ahí viene el término "bomba de calor", ya que el calor se bombea al medio natural. Lucha contra esta transición natural del calor al frío, al igual que una bomba de pozo supera la gravedad moviendo el agua desde su punto de energía potencial más bajo a un punto de energía potencial más alto.

Más detalles sobre el funcionamiento de la bomba de calor aire-agua

Al leer los dos primeros párrafos ya debería haber comprendido el principio de la bomba de calor aire-agua. Ahora vamos a entrar en más detalles. ¿Cuál es el misterio de la capacidad de la bomba de calor para invertir el principio natural de transferencia de calor?

El refrigerante: el conductor de la bomba de calor

La magia de la bomba de calor se debe en gran medida a la propiedad de los refrigerantes de evaporarse a temperaturas muy bajas y, por tanto, de captar la energía del entorno natural incluso en invierno.

Todos sabemos que el agua, que es el fluido natural más común, se evapora alrededor de los 100°C. Pero esto sólo es válido en condiciones estándar, es decir, a una presión atmosférica de 1013 HPa. A continuación, pasa de estado líquido a vapor y se dice que se evapora. Se dice que esta reacción de evaporación es endotérmica, es decir, que absorbe una cantidad de energía (calorías) del entorno en el que se produce.

Sin embargo, si estás en la cima del Monte Everest, la presión atmosférica no es en absoluto la misma: disminuye casi 3 veces (unos 350HPa). El agua se evapora mucho más rápido, en este caso a partir de unos 70°C. Esto ilustra el hecho de que se puede influir en la presión de un fluido y, por tanto, se puede modular su temperatura de evaporación.

Esto se puede comparar rápidamente con la bomba de calor. Si podemos modular la presión del gas refrigerante según nuestros deseos, podremos evaporarlo a la temperatura que queramos, y en este caso queremos que se evapore a la temperatura del aire exterior, para captar su calor.

Tomemos el ejemplo del gas refrigerante R32, que pronto estará en todas las bombas de calor residenciales, ya que el R410A avanza lentamente hacia una prohibición programada (2025) y todos los fabricantes han empezado a utilizarlo. Su temperatura de ebullición (evaporación) es de -51,7°C a presión atmosférica. Si estamos en Siberia está bien, pero no estamos en Siberia, así que tendremos que modular la presión para que se evapore cuando haya -6°C por ejemplo. Para ello tendrá que subir hasta los 6500HPa.

Por eso, en los sistemas de bomba de calor, además de los intercambiadores de calor (evaporador sobre aire + condensador sobre agua), hay dos dispositivos que permiten modular la presión del fluido. Son el compresor y la válvula de expansión. Se colocan respectivamente después y antes del evaporador y permiten crear una regulación adaptativa de la presión del gas para que, sea cual sea la temperatura exterior, el gas pueda evaporarse como es debido y capturar la máxima cantidad de calorías (según la necesidad de calefacción)

Caso especial de la bomba de calor aire-agua

En una bomba de calor aerotérmica, el calor se recoge del aire exterior, en el evaporador. Se devuelven a la red de agua doméstica a través de un condensador de agua, en el que el refrigerante pasa por un lado y el agua por otro. El intercambio de calor se produce a través de las paredes del intercambiador y, por supuesto, no hay contacto entre el agua y el refrigerante.

Algunas marcas utilizan un intercambiador de calor de placas para hacer el condensador, mientras que otras utilizan un condensador coaxial, que suele ser más fiable y duradero, y requiere menos mantenimiento.

En el caso de una bomba de calor dividida (unidades interiores y exteriores separadas), el condensador está en el módulo interior. El refrigerante circula entre los módulos interiores y exteriores.

En el caso de una bomba de calor monobloque (todo está en la unidad exterior) el condensador está fuera en la unidad y el agua circula entre la unidad y el interior de la casa. El agua recupera el calor del condensador y lo intercambia con el depósito de inercia de la sala técnica, mediante un intercambiador.

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