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

Este aparato de calefacción de moda, popular por su uso de energía renovable del aire, a menudo sigue siendo un misterio en cuanto a su funcionamiento. Este artículo le ayudará a comprender el principio en el que se basan las bombas de calor aire/agua.

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

La definición anterior es una forma "complicada" de explicar las cosas, pero es perfectamente posible explicarlas en términos sencillos y, una vez que se entienden, se puede entrar en más detalles.

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

Analogía de la nevera

Todos tenemos un frigorífico en casa. Si quieres que funcione, lo mejor es dejar la puerta cerrada. La razón es sencilla, y todos la intuimos. Es porque hay que limitar el volumen a enfriar. Sólo quieres enfriar los alimentos del frigorífico.

Pero, ¿qué ocurre si abres la puerta del frigorífico? Imagínate que los alimentos se calientan al entrar en contacto con el aire ambiente. El frigorífico sigue funcionando porque no sabe que la puerta está abierta. Sin darse cuenta, está intentando enfriar un volumen demasiado grande para su pequeño compresor, está intentando enfriar toda la habitación.

El resultado es que su pequeño compresor trabaja constantemente. Se fija en el punto de consigna que tiene que alcanzar y, hasta que lo consigue, sigue funcionando. Y el condensador de la parte trasera de su frigorífico trabaja a pleno rendimiento. Condensa, condensa, así que se calienta porque la condensación es una reacción que libera calor (exotérmica).

Su frigorífico se ha convertido en un calentador: tiene ante sí el volumen de la habitación que debe enfriar mientras su puerta esté abierta. Para él, esto es prácticamente infinito e imposible de enfriar. Así que funciona en bucle y calienta por condensación.

El mismo principio se aplica a la calefacción doméstica con 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, de hecho. Así que tienes una fuente "infinita" para enfriar. Como resultado, es posible calentar la casa por condensación en el condensador sobre el agua de la red doméstica: el refrigerante redistribuye las calorías tomadas del aire exterior.

Es contraintuitivo tomar calorías del aire frío

Puede parecer contraintuitivo calentar una habitación utilizando la energía del aire exterior, cuando en invierno hace un frío que pela (-10 / -15 °C). Y es precisamente en invierno cuando más se necesita calentar.

Pero es importante recordar que, sea cual sea la temperatura del aire, sigue conteniendo calorías que pueden bombearse. Por supuesto, cuanto más frío y seco esté, menos calorías contendrá, razón por la cual las bombas de calor funcionan algo peor en invierno. En otras palabras, consumen 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 hacer lo contrario. Es decir, transfiere calor del ambiente más frío al más cálido. De ahí viene el término "bomba de calor", porque el calor se bombea desde el entorno natural. Combate esta transición natural del calor al frío, del mismo modo que una bomba de pozo consigue vencer la gravedad desplazando el agua desde su punto más bajo de energía potencial a un punto más alto de energía potencial.

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 orquesta 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, por lo que pueden captar energía del medio natural incluso en invierno.

Todos sabemos que el agua, que es el fluido natural más común, se evapora a unos 100 °C. Pero esto sólo es válido en condiciones estándar, es decir, a una presión atmosférica de 1013 HPa. Pero esto sólo ocurre en condiciones estándar, es decir, a una presión atmosférica de 1013 HPa. Entonces pasa de líquido a vapor y se dice que se evapora. Se dice que esta reacción de evaporación es endotérmica, lo que significa que absorbe una cantidad de energía (calorías) del entorno en el que tiene lugar.

Sin embargo, si te encuentras en la cima del Everest, la presión atmosférica no es en absoluto la misma: desciende casi 3 veces (alrededor de 350HPa). El agua se evapora mucho más rápidamente, en este caso a partir de unos 70°C. Esto ilustra el hecho de que podemos controlar la presión de un fluido y modular así su temperatura de evaporación.

Se puede hacer rápidamente la conexión con la bomba de calor. Si podemos modular la presión del gas refrigerante según nuestros deseos, entonces 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 se utilizará en todas las bombas de calor residenciales, ya que el R410A se está eliminando poco a poco (2025) y todos los fabricantes están de acuerdo. Su temperatura de ebullición (evaporación) es de -51,7°C a presión atmosférica. Si estamos en Siberia, eso está bien, pero no estamos en Siberia, así que vamos a tener que modular la presión para que se evapore a -6°C, por ejemplo. Va a tener que aumentar hacia 6500HPa para que eso suceda.

Por eso, además de los intercambiadores de calor (evaporador de aire + condensador de agua), los sistemas de bomba de calor tienen dos dispositivos que modulan la presión del fluido. Se trata del compresor y de la válvula de expansión. Están situados respectivamente después y antes del evaporador, y permiten regular de forma adaptativa la presión del gas para que, sea cual sea la temperatura exterior, el gas pueda evaporarse como es debido y captar la máxima cantidad de calor (en función de las necesidades de calefacción).

Caso especial de la bomba de calor aire-agua

Con una bomba de calor aerotérmica, el calor se recoge del aire exterior en el evaporador. En el condensador, el refrigerante pasa por un lado y el agua por el 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 fabricar 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 partida (unidades interior y exterior separadas), el condensador se encuentra en el módulo interior. El refrigerante circula entre los módulos interior y exterior.

En el caso de una bomba de calor monobloque (todo está en la unidad exterior), el condensador está fuera de la unidad y el agua circula entre ésta y el interior de la vivienda. El agua recupera el calor del condensador y lo intercambia con el depósito de inercia del local técnico, a través de un intercambiador.

Más información sobre el tema:

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