La principal limitación de las bombas de calor de aire es una caída significativa en el rendimiento cuando las temperaturas exteriores alcanzan el rango de congelación.
Las bombas de calor están surgiendo como una solución eficiente para la calefacción y el aire acondicionado de espacios, especialmente cuando se utilizan en sistemas de flujo de refrigerante variable. Pueden igualar los sistemas de aire acondicionado más eficientes en modo de refrigeración y pueden competir con el bajo coste de la calefacción por combustión utilizando únicamente electricidad. En comparación con un calentador de resistencia convencional, una bomba de calor logra ahorros de entre el 40 y el 80 por ciento, dependiendo del modelo específico y las condiciones de funcionamiento.
Mientras que las bombas de calor de fuente de aire intercambian calor directamente con el aire exterior, las bombas de calor de fuente terrestre aprovechan la temperatura subterránea estable para lograr una mayor eficiencia. Teniendo en cuenta el alto precio y las complejas instalaciones de un sistema de fuente terrestre, las bombas de calor de fuente de aire son la opción más común.
La principal limitación de las bombas de calor de aire es una caída significativa en el rendimiento cuando las temperaturas exteriores alcanzan el rango de congelación. Los ingenieros de diseño deben considerar el efecto del clima local al especificar una bomba de calor y asegurarse de que el sistema esté equipado con medidas adecuadas para las temperaturas más bajas esperadas.
¿Cómo afecta el frío extremo a las bombas de calor de aire?
El principal desafío al utilizar una bomba de calor de aire con temperaturas bajo cero es controlar la acumulación de hielo en las baterías exteriores. Dado que la unidad elimina el calor del aire exterior que ya está frío, la humedad puede acumularse y congelarse fácilmente en la superficie de sus serpentines.
Aunque el ciclo de descongelamiento de la bomba de calor puede derretir el hielo en los serpentines exteriores, la unidad no puede suministrar calefacción mientras dura el ciclo. A medida que bajan las temperaturas exteriores, la bomba de calor debe ingresar al ciclo de descongelación con más frecuencia para compensar la formación de hielo, y esto limita el calor entregado a los espacios interiores.
Dado que las bombas de calor geotérmicas no intercambian calor con el aire exterior, no se ven relativamente afectadas por las temperaturas bajo cero. Sin embargo, requieren excavaciones que pueden ser difíciles de realizar debajo de edificios existentes, especialmente aquellos en áreas urbanas muy pobladas.
Especificación de bombas de calor de fuente de aire para climas fríos
Cuando se utilizan bombas de calor de fuente de aire con temperaturas bajo cero, existen dos formas principales de compensar la pérdida de calor durante los ciclos de descongelación:
Agregar un sistema de calefacción de respaldo, generalmente un quemador de gas o un calentador de resistencia eléctrica.
Especificar una bomba de calor con medidas integradas contra la acumulación de escarcha.
Los sistemas de calefacción de respaldo para bombas de calor de aire son una solución simple, pero tienden a aumentar el costo de propiedad del sistema. Las consideraciones de diseño cambian según el tipo de calefacción de respaldo especificada:
Un calentador de resistencia eléctrica funciona con la misma fuente de energía que la bomba de calor. Sin embargo, consume más corriente para una carga de calefacción determinada, lo que requiere una mayor capacidad de cableado. La eficiencia general del sistema también cae, ya que el calentamiento por resistencia es mucho menos eficiente que el funcionamiento con bomba de calor.
Un quemador de gas logra un coste operativo mucho menor que un calentador de resistencia. Sin embargo, requiere un suministro de gas y un sistema de escape, lo que encarece el coste de la instalación.
Cuando un sistema de bomba de calor utiliza calefacción de respaldo, una práctica recomendada es configurar el termostato a una temperatura moderada. Esto minimiza la frecuencia del ciclo de descongelación y el tiempo de funcionamiento del sistema de calefacción de respaldo, lo que reduce el consumo total de energía.
Bombas de calor con medidas integradas contra el frío
Las bombas de calor de fuente de aire de los principales fabricantes suelen estar clasificadas para temperaturas exteriores de hasta -4°F. Sin embargo, cuando las unidades se mejoran con medidas para climas fríos, su rango de funcionamiento puede extenderse por debajo de -10°F o incluso -20°F. Las siguientes son algunas características de diseño comunes utilizadas por los fabricantes de bombas de calor para mitigar el impacto del ciclo de descongelación:
Algunos fabricantes incluyen acumuladores de calor, que pueden seguir entregando calor cuando la bomba de calor entra en el ciclo de descongelación.
También hay configuraciones de bomba de calor en las que una de las líneas de refrigerante caliente circula a través de la unidad exterior para ayudar a evitar la congelación. El ciclo de descongelación sólo se activa cuando este efecto de calentamiento no es suficiente.
Cuando un sistema de bomba de calor utiliza varias unidades exteriores, se pueden programar para ingresar al ciclo de descongelación en una secuencia y no simultáneamente. De esta manera, el sistema nunca pierde toda su capacidad de calefacción debido a la descongelación.
Las unidades exteriores también pueden equiparse con carcasas que protejan la unidad de las nevadas directas. De esta forma, la unidad sólo debe ocuparse del hielo que se forma directamente sobre las baterías.
Si bien estas medidas no eliminan por completo el ciclo de descongelación, pueden reducir su impacto en la producción de calefacción. Para lograr los mejores resultados con un sistema de bomba de calor de aire, el primer paso recomendado es una evaluación del clima local. De esta manera se puede especificar un sistema adecuado desde el principio; lo cual es más sencillo y menos costoso que actualizar una instalación inadecuada.
Medidas complementarias para mejorar la eficiencia de las bombas de calor
Tener un sistema de bomba de calor energéticamente eficiente reduce los gastos de calefacción y refrigeración. Sin embargo, el edificio en sí también puede diseñarse para minimizar las necesidades de refrigeración durante el verano y de calefacción durante el invierno. Una envolvente de edificio con aislamiento y estanqueidad adecuados minimiza la necesidad de calefacción y refrigeración, en comparación con un edificio con aislamiento deficiente y muchas fugas de aire.
Los controles de ventilación también contribuyen a la eficiencia de la calefacción y la refrigeración, ajustando el flujo de aire según las necesidades del edificio. Cuando los sistemas de ventilación funcionan a pleno flujo de aire todo el tiempo, el volumen de aire que se debe acondicionar es mayor. En cambio, si se ajusta la ventilación según la ocupación, el volumen total de aire que se debe acondicionar es menor.
Existe una amplia gama de configuraciones de calefacción y refrigeración que se pueden implementar en los edificios. Sin embargo, el coste de propiedad más bajo se consigue cuando la instalación se optimiza según las necesidades del edificio.
Artículo de Michael Tobías
Referencia: Tobias, M. (sin fecha). Habilite las cookies. Ruta de pila. https://www.contractormag.com/green/article/20883974/airsource-heat-pumps-in-cold-weather.
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Hora de publicación: 16-mar-2022