Calefacción y refrigeración con una bomba de calor: Parte 1

Introducción

Si está explorando opciones para calentar y enfriar su hogar o reducir sus facturas de energía, es posible que desee considerar un sistema de bomba de calor. Las bombas de calor son una tecnología comprobada y confiable en Canadá, capaz de brindar control del confort de su hogar durante todo el año suministrando calor en invierno, enfriamiento en verano y, en algunos casos, calentando agua caliente para su hogar.

Las bombas de calor pueden ser una excelente opción en una variedad de aplicaciones, tanto para casas nuevas como para modernizaciones de sistemas de calefacción y refrigeración existentes. También son una opción a la hora de sustituir los sistemas de aire acondicionado existentes, ya que el coste incremental de pasar de un sistema de sólo refrigeración a una bomba de calor suele ser bastante bajo. Dada la gran cantidad de diferentes tipos y opciones de sistemas, a menudo puede resultar difícil determinar si una bomba de calor es la opción adecuada para su hogar.

Si está considerando una bomba de calor, probablemente tenga varias preguntas, entre ellas:

• ¿Qué tipos de bombas de calor hay disponibles?
• ¿Qué parte de mis necesidades anuales de calefacción y refrigeración puede cubrir una bomba de calor?
• ¿Qué tamaño de bomba de calor necesito para mi hogar y aplicación?
• ¿Cuánto cuestan las bombas de calor en comparación con otros sistemas y cuánto podría ahorrar en mi factura energética?
• ¿Tendré que hacer modificaciones adicionales a mi casa?
• ¿Cuánto mantenimiento requerirá el sistema?

Este folleto proporciona datos importantes sobre las bombas de calor para ayudarle a estar más informado y ayudarle a tomar la decisión correcta para su hogar. Utilizando estas preguntas como guía, este folleto describe los tipos más comunes de bombas de calor y analiza los factores involucrados en la elección, instalación, operación y mantenimiento de una bomba de calor.

Público objetivo

Este folleto está dirigido a propietarios que buscan información general sobre tecnologías de bombas de calor para respaldar la toma de decisiones informadas con respecto a la selección e integración, operación y mantenimiento del sistema. La información proporcionada aquí es general y los detalles específicos pueden variar según su instalación y tipo de sistema. Este folleto no debe reemplazar el trabajo con un contratista o asesor energético, quien se asegurará de que su instalación satisfaga sus necesidades y objetivos deseados.

Una nota sobre la gestión de la energía en el hogar

Las bombas de calor son sistemas de calefacción y refrigeración muy eficientes y pueden reducir significativamente sus costos de energía. Al pensar en el hogar como un sistema, se recomienda minimizar las pérdidas de calor de su hogar en áreas como fugas de aire (a través de grietas, agujeros), paredes, techos, ventanas y puertas mal aislados.

Abordar estos problemas primero puede permitirle utilizar un tamaño de bomba de calor más pequeño, reduciendo así los costos del equipo de la bomba de calor y permitiendo que su sistema funcione de manera más eficiente.

Natural Resources Canada ofrece varias publicaciones que explican cómo hacerlo.

¿Qué es una bomba de calor y cómo funciona?

Las bombas de calor son una tecnología probada que se ha utilizado durante décadas, tanto en Canadá como en todo el mundo, para proporcionar calefacción, refrigeración y, en algunos casos, agua caliente de manera eficiente a los edificios. De hecho, es probable que interactúes con la tecnología de bombas de calor a diario: los refrigeradores y los aires acondicionados funcionan con los mismos principios y tecnología. Esta sección presenta los conceptos básicos de cómo funciona una bomba de calor e introduce diferentes tipos de sistemas.

Conceptos básicos de la bomba de calor

Una bomba de calor es un dispositivo accionado eléctricamente que extrae calor de un lugar de baja temperatura (una fuente) y lo entrega a un lugar de mayor temperatura (un fregadero).

Para comprender este proceso, piense en un paseo en bicicleta por una colina: no se requiere ningún esfuerzo para ir desde la cima de la colina hasta la base, ya que la bicicleta y el ciclista se moverán naturalmente de un lugar alto a uno más bajo. Sin embargo, subir una colina requiere mucho más trabajo, ya que la bicicleta se mueve en contra de la dirección natural del movimiento.

De manera similar, el calor fluye naturalmente desde lugares con temperaturas más altas hacia lugares con temperaturas más bajas (por ejemplo, en invierno, el calor del interior del edificio se pierde hacia el exterior). Una bomba de calor utiliza energía eléctrica adicional para contrarrestar el flujo natural de calor y bombear la energía disponible en un lugar más frío a uno más cálido.

Entonces, ¿cómo calienta o enfría una bomba de calor su hogar? A medida que se extrae energía de una fuente, la temperatura de la fuente se reduce. Si se utiliza la vivienda como fuente, se extraerá energía térmica, enfriando este espacio. Así es como funciona una bomba de calor en modo refrigeración, y es el mismo principio que utilizan los aires acondicionados y los frigoríficos. De manera similar, a medida que se agrega energía a un sumidero, su temperatura aumenta. Si la vivienda se utiliza como lavabo, se añadirá energía térmica calentando el espacio. Una bomba de calor es totalmente reversible, lo que significa que puede calentar y enfriar su hogar, brindando comodidad durante todo el año.

Fuentes y sumideros para bombas de calor

Seleccionar la fuente y el sumidero para su sistema de bomba de calor contribuye en gran medida a determinar el rendimiento, los costos de capital y los costos operativos de su sistema. Esta sección proporciona una breve descripción de las fuentes y sumideros comunes para aplicaciones residenciales en Canadá.

Fuentes: Dos fuentes de energía térmica se utilizan con mayor frecuencia para calentar hogares con bombas de calor en Canadá:

• Fuente de aire: la bomba de calor extrae calor del aire exterior durante la temporada de calefacción y rechaza el calor del exterior durante la temporada de enfriamiento de verano.
• Puede resultar sorprendente saber que incluso cuando las temperaturas exteriores son frías, todavía hay una gran cantidad de energía disponible que se puede extraer y entregar al edificio. Por ejemplo, el contenido de calor del aire a -18°C equivale al 85% del calor contenido a 21°C. Esto permite que la bomba de calor proporcione una buena cantidad de calefacción, incluso en climas más fríos.
• Los sistemas de fuente de aire son los más comunes en el mercado canadiense, con más de 700.000 unidades instaladas en todo Canadá.
• Este tipo de sistema se analiza con más detalle en la sección Bombas de calor de fuente de aire.
• Fuente terrestre: una bomba de calor de fuente terrestre utiliza la tierra, el agua subterránea o ambas como fuente de calor en el invierno y como depósito para rechazar el calor extraído de la casa en el verano.
• Estas bombas de calor son menos comunes que las unidades de aire, pero se utilizan cada vez más en todas las provincias de Canadá. Su principal ventaja es que no están sujetos a fluctuaciones extremas de temperatura, ya que utilizan el suelo como fuente de temperatura constante, lo que da como resultado el tipo de sistema de bomba de calor con mayor eficiencia energética.
• Este tipo de sistema se analiza con más detalle en la sección Bombas de calor geotérmicas.

Fregaderos: Dos sumideros de energía térmica se utilizan con mayor frecuencia para calentar hogares con bombas de calor en Canadá:

• El aire interior se calienta mediante la bomba de calor. Esto se puede hacer mediante: Se calienta el agua dentro del edificio. Luego, esta agua se puede utilizar para dar servicio a sistemas terminales como radiadores, suelo radiante o unidades fancoil a través de un sistema hidrónico.
  • Un sistema de conductos centrales o
  • Una unidad interior sin ductos, como una unidad montada en la pared.

Una introducción a la eficiencia de la bomba de calor

Los hornos y calderas proporcionan calefacción de espacios agregando calor al aire mediante la combustión de un combustible como el gas natural o el combustible para calefacción. Si bien la eficiencia ha mejorado continuamente, aún se mantiene por debajo del 100%, lo que significa que no toda la energía disponible de la combustión se utiliza para calentar el aire.

Las bombas de calor funcionan según un principio diferente. La entrada de electricidad a la bomba de calor se utiliza para transferir energía térmica entre dos ubicaciones. Esto permite que la bomba de calor funcione de manera más eficiente, con eficiencias típicas muy por encima

100%, es decir, se produce más energía térmica que la cantidad de energía eléctrica utilizada para bombearla.

Es importante señalar que la eficiencia de la bomba de calor depende en gran medida de las temperaturas de la fuente y del sumidero. Así como una colina más empinada requiere más esfuerzo para subir en bicicleta, las mayores diferencias de temperatura entre la fuente y el disipador de la bomba de calor requieren que ésta trabaje más y pueden reducir la eficiencia. Es fundamental determinar el tamaño adecuado de la bomba de calor para maximizar la eficiencia estacional. Estos aspectos se analizan con más detalle en las secciones Bombas de calor de fuente de aire y Bombas de calor de fuente terrestre.

Terminología de eficiencia

En los catálogos de los fabricantes se utiliza una variedad de métricas de eficiencia, lo que puede hacer que comprender el rendimiento del sistema sea algo confuso para quien compra por primera vez. A continuación se muestra un desglose de algunos términos de eficiencia de uso común:

Métricas de estado estacionario: estas medidas describen la eficiencia de la bomba de calor en un "estado estacionario", es decir, sin fluctuaciones de la estación y la temperatura de la vida real. Como tal, su valor puede cambiar significativamente a medida que cambian las temperaturas de la fuente y el sumidero, y otros parámetros operativos. Las métricas de estado estacionario incluyen:

Coeficiente de rendimiento (COP): El COP es una relación entre la velocidad a la que la bomba de calor transfiere energía térmica (en kW) y la cantidad de energía eléctrica necesaria para realizar el bombeo (en kW). Por ejemplo, si una bomba de calor utilizara 1 kW de energía eléctrica para transferir 3 kW de calor, el COP sería 3.

Índice de eficiencia energética (EER): el EER es similar al COP y describe la eficiencia de enfriamiento en estado estacionario de una bomba de calor. Se determina dividiendo la capacidad de refrigeración de la bomba de calor en Btu/h por la entrada de energía eléctrica en Watts (W) a una temperatura específica. EER está estrictamente asociado con la descripción de la eficiencia de enfriamiento en estado estacionario, a diferencia de COP, que puede usarse para expresar la eficiencia de una bomba de calor tanto en calefacción como en refrigeración.

Métricas de rendimiento estacional: estas medidas están diseñadas para brindar una mejor estimación del rendimiento durante una temporada de calefacción o refrigeración, incorporando variaciones de las temperaturas de la "vida real" a lo largo de la temporada.

Las métricas estacionales incluyen:

• Factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF): HSPF es una relación entre la cantidad de energía que la bomba de calor entrega al edificio durante toda la temporada de calefacción (en Btu) y la energía total (en vatios-hora) que utiliza durante el mismo período.

Las características de los datos meteorológicos de las condiciones climáticas a largo plazo se utilizan para representar la temporada de calefacción al calcular el HSPF. Sin embargo, este cálculo generalmente se limita a una sola región y es posible que no represente completamente el desempeño en todo Canadá. Algunos fabricantes pueden proporcionar un HSPF para otra región climática previa solicitud; sin embargo, normalmente se informan HSPF para la Región 4, que representa climas similares al Medio Oeste de EE. UU. La Región 5 cubriría la mayor parte de la mitad sur de las provincias de Canadá, desde el interior de Columbia Británica hasta Nuevo BrunswickFootnote1.

• Índice de eficiencia energética estacional (SEER): SEER mide la eficiencia de refrigeración de la bomba de calor durante toda la temporada de refrigeración. Se determina dividiendo el enfriamiento total proporcionado durante la temporada de enfriamiento (en Btu) por la energía total utilizada por la bomba de calor durante ese tiempo (en vatios-hora). El SEER se basa en un clima con una temperatura media en verano de 28°C.

Terminología importante para sistemas de bomba de calor

A continuación se muestran algunos términos comunes que puede encontrar al investigar las bombas de calor.

Componentes del sistema de bomba de calor

El refrigerante es el fluido que circula por la bomba de calor absorbiendo, transportando y liberando calor alternativamente. Dependiendo de su ubicación, el fluido puede ser líquido, gaseoso o una mezcla de gas y vapor.

La válvula de inversión controla la dirección del flujo del refrigerante en la bomba de calor y cambia la bomba de calor del modo de calefacción al modo de refrigeración o viceversa.

Un serpentín es un bucle o bucles de tubería donde tiene lugar la transferencia de calor entre la fuente/disipador y el refrigerante. El tubo puede tener aletas para aumentar la superficie disponible para el intercambio de calor.

El evaporador es un serpentín en el que el refrigerante absorbe calor de su entorno y hierve para convertirse en vapor de baja temperatura. A medida que el refrigerante pasa de la válvula de inversión al compresor, el acumulador recoge el exceso de líquido que no se vaporizó en gas. Sin embargo, no todas las bombas de calor tienen acumulador.

El compresor comprime las moléculas del gas refrigerante, aumentando la temperatura del refrigerante. Este dispositivo ayuda a transferir energía térmica entre la fuente y el sumidero.

El condensador es un serpentín en el que el refrigerante desprende calor a su entorno y se convierte en líquido.

El dispositivo de expansión reduce la presión creada por el compresor. Esto hace que la temperatura baje y el refrigerante se convierta en una mezcla de vapor/líquido de baja temperatura.

La unidad exterior es donde el calor se transfiere hacia/desde el aire exterior en una bomba de calor de fuente de aire. Esta unidad generalmente contiene un serpentín intercambiador de calor, el compresor y la válvula de expansión. Se ve y funciona de la misma manera que la parte exterior de un aire acondicionado.

El serpentín interior es donde el calor se transfiere hacia/desde el aire interior en ciertos tipos de bombas de calor de fuente de aire. Generalmente, la unidad interior contiene un serpentín intercambiador de calor y también puede incluir un ventilador adicional para hacer circular aire calentado o enfriado al espacio ocupado.

El plenum, sólo visto en instalaciones por conductos, forma parte de la red de distribución de aire. El pleno es un compartimento de aire que forma parte del sistema de distribución de aire caliente o frío por la casa. Generalmente es un compartimento grande inmediatamente encima o alrededor del intercambiador de calor.

Otros terminos

Unidades de medida de capacidad o uso de energía:

• Un Btu/h, o unidad térmica británica por hora, es una unidad utilizada para medir la producción de calor de un sistema de calefacción. Un Btu es la cantidad de energía térmica que desprende una vela de cumpleaños típica. Si esta energía térmica se liberara en el transcurso de una hora, equivaldría a un Btu/h.
• Un kW, o kilovatio, equivale a 1000 vatios. Ésta es la cantidad de energía que requieren diez bombillas de 100 vatios.
• Una tonelada es una medida de la capacidad de la bomba de calor. Equivale a 3,5 kW o 12.000 Btu/h.

Bombas de calor de fuente de aire

Las bombas de calor aerotérmicas utilizan el aire exterior como fuente de energía térmica en modo calefacción y como sumidero para rechazar energía en modo refrigeración. Este tipo de sistemas generalmente se pueden clasificar en dos categorías:

Bombas de Calor Aire-Aire. Estas unidades calientan o enfrían el aire dentro de su hogar y representan la gran mayoría de las integraciones de bombas de calor de fuente de aire en Canadá. Se pueden clasificar además según el tipo de instalación:

• Canalizado: La batería interior de la bomba de calor está situada en un conducto. El aire se calienta o enfría pasando por el serpentín, antes de distribuirse a través de los conductos a diferentes lugares de la casa.
• Sin conductos: el serpentín interior de la bomba de calor está ubicado en una unidad interior. Estas unidades interiores generalmente están ubicadas en el piso o la pared de un espacio ocupado y calientan o enfrían el aire de ese espacio directamente. Entre estas unidades, es posible que veas los términos mini y multisplit:
  • Mini-Split: Una única unidad interior se ubica dentro de la casa, servida por una única unidad exterior.
  • Multi-Split: Hay varias unidades interiores ubicadas en la casa y reciben servicio de una sola unidad exterior.

Los sistemas aire-aire son más eficientes cuando la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior es menor. Debido a esto, las bombas de calor aire-aire generalmente intentan optimizar su eficiencia proporcionando un mayor volumen de aire caliente y calentando ese aire a una temperatura más baja (normalmente entre 25 y 45 °C). Esto contrasta con los sistemas de calderas, que suministran un volumen menor de aire, pero lo calientan a temperaturas más altas (entre 55 °C y 60 °C). Si está cambiando a una bomba de calor desde una caldera, puede notar esto cuando comience a usar su nueva bomba de calor.

Bombas de calor aire-agua: menos comunes en Canadá, las bombas de calor aire-agua calientan o enfrían agua y se utilizan en hogares con sistemas de distribución hidrónicos (a base de agua), como radiadores de baja temperatura, pisos radiantes o unidades fan-coil. En modo calefacción, la bomba de calor proporciona energía térmica al sistema hidrónico. Este proceso se invierte en el modo de refrigeración y la energía térmica se extrae del sistema hidrónico y se rechaza al aire exterior.

Las temperaturas de funcionamiento en el sistema hidrónico son críticas al evaluar las bombas de calor aire-agua. Las bombas de calor aire-agua funcionan de manera más eficiente cuando calientan el agua a temperaturas más bajas, es decir, por debajo de 45 a 50 °C, y como tales son una mejor combinación para pisos radiantes o sistemas fan coil. Se debe tener cuidado al considerar su uso con radiadores de alta temperatura que requieren temperaturas del agua superiores a 60°C, ya que estas temperaturas generalmente exceden los límites de la mayoría de las bombas de calor residenciales.

Principales beneficios de las bombas de calor de aire

Instalar una bomba de calor de aire puede ofrecerle una serie de beneficios. Esta sección explora cómo las bombas de calor de fuente de aire pueden beneficiar la huella energética de su hogar.

Eficiencia

El principal beneficio de utilizar una bomba de calor de aire es la alta eficiencia que puede proporcionar en calefacción en comparación con los sistemas típicos como hornos, calderas y zócalos eléctricos. A 8°C, el coeficiente de rendimiento (COP) de las bombas de calor de aire suele oscilar entre 2,0 y 5,4. Esto significa que, para unidades con un COP de 5, se transfieren 5 kilovatios hora (kWh) de calor por cada kWh de electricidad suministrada a la bomba de calor. A medida que desciende la temperatura del aire exterior, los COP son más bajos, ya que la bomba de calor debe funcionar a través de una mayor diferencia de temperatura entre el espacio interior y exterior. A –8°C, los COP pueden oscilar entre 1,1 y 3,7.

Según la temporada, el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) de las unidades disponibles en el mercado puede variar de 7,1 a 13,2 (Región V). Es importante señalar que estas estimaciones del HSPF son para un área con un clima similar a Ottawa. Los ahorros reales dependen en gran medida de la ubicación de la instalación de su bomba de calor.

Ahorros de energía

La mayor eficiencia de la bomba de calor puede traducirse en importantes reducciones en el uso de energía. Los ahorros reales en su casa dependerán de varios factores, incluido el clima local, la eficiencia de su sistema actual, el tamaño y tipo de bomba de calor y la estrategia de control. Hay muchas calculadoras en línea disponibles para proporcionar una estimación rápida de cuánto ahorro de energía puede esperar para su aplicación particular. La herramienta ASHP-Eval de NRCan está disponible gratuitamente y los instaladores y diseñadores mecánicos pueden utilizarla para asesorarle sobre su situación.

¿Cómo funciona una bomba de calor de aire?

Transcripción

Una bomba de calor aerotérmica tiene tres ciclos:

• El Ciclo de Calefacción: Aportando energía térmica al edificio
• El ciclo de enfriamiento: eliminar la energía térmica del edificio
• El ciclo de descongelación: eliminar la escarcha
• acumulación en serpentines exteriores

El ciclo de calentamiento

Observación:

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