Calefacción y refrigeración con una bomba de calor: Parte 2

Durante el ciclo de calefacción, el calor se toma del aire exterior y se “bombea” al interior.

• Primero, el refrigerante líquido pasa a través del dispositivo de expansión, cambiando a una mezcla de líquido/vapor de baja presión. Luego pasa al serpentín exterior, que actúa como serpentín del evaporador. El refrigerante líquido absorbe el calor del aire exterior y hierve, convirtiéndose en un vapor de baja temperatura.
• Este vapor pasa a través de la válvula de inversión al acumulador, que recoge el líquido restante antes de que el vapor ingrese al compresor. Luego, el vapor se comprime, reduciendo su volumen y provocando que se caliente.
• Finalmente, la válvula reversible envía el gas, que ahora está caliente, al serpentín interior, que es el condensador. El calor del gas caliente se transfiere al aire interior, lo que hace que el refrigerante se condense en líquido. Este líquido regresa al dispositivo de expansión y se repite el ciclo. El serpentín interior está ubicado en los conductos, cerca del calefactor.

La capacidad de la bomba de calor para transferir calor del aire exterior a la casa depende de la temperatura exterior. A medida que esta temperatura desciende, también disminuye la capacidad de la bomba de calor para absorber calor. Para muchas instalaciones de bombas de calor de aire, esto significa que hay una temperatura (llamada punto de equilibrio térmico) en la que la capacidad de calefacción de la bomba de calor es igual a la pérdida de calor de la casa. Por debajo de esta temperatura ambiente exterior, la bomba de calor puede suministrar sólo una parte del calor necesario para mantener el espacio habitable cómodo y se requiere calor adicional.

Es importante señalar que la gran mayoría de las bombas de calor aerotérmicas tienen una temperatura mínima de funcionamiento, por debajo de la cual no pueden funcionar. Para los modelos más nuevos, esto puede oscilar entre -15°C y -25°C. Por debajo de esta temperatura, se debe utilizar un sistema suplementario para proporcionar calefacción al edificio.

El ciclo de enfriamiento

El ciclo descrito anteriormente se invierte para enfriar la casa durante el verano. La unidad extrae calor del aire interior y lo expulsa al exterior.

• Al igual que en el ciclo de calentamiento, el refrigerante líquido pasa a través del dispositivo de expansión, cambiando a una mezcla de líquido/vapor a baja presión. Luego pasa al serpentín interior, que actúa como evaporador. El refrigerante líquido absorbe el calor del aire interior y hierve, convirtiéndose en un vapor de baja temperatura.
• Este vapor pasa a través de la válvula de inversión al acumulador, que recoge el líquido restante, y luego al compresor. Luego, el vapor se comprime, reduciendo su volumen y provocando que se caliente.
• Finalmente, el gas, que ahora está caliente, pasa a través de la válvula inversora hasta el serpentín exterior, que actúa como condensador. El calor del gas caliente se transfiere al aire exterior, lo que hace que el refrigerante se condense en líquido. Este líquido regresa al dispositivo de expansión y se repite el ciclo.

Durante el ciclo de refrigeración, la bomba de calor también deshumidifica el aire interior. La humedad en el aire que pasa sobre el serpentín interior se condensa en la superficie del serpentín y se recoge en una bandeja en la parte inferior del serpentín. Un drenaje de condensado conecta esta bandeja con el drenaje de la casa.

El ciclo de descongelación

Si la temperatura exterior cae cerca o por debajo del punto de congelación cuando la bomba de calor está funcionando en el modo de calefacción, la humedad del aire que pasa sobre el serpentín exterior se condensará y congelará en él. La cantidad de escarcha que se acumula depende de la temperatura exterior y de la cantidad de humedad en el aire.

Esta acumulación de escarcha disminuye la eficiencia del serpentín al reducir su capacidad para transferir calor al refrigerante. En algún momento hay que quitar la escarcha. Para ello, la bomba de calor cambia al modo de descongelación. El enfoque más común es:

• En primer lugar, la válvula inversora cambia el dispositivo al modo de refrigeración. Esto envía gas caliente al serpentín exterior para derretir la escarcha. Al mismo tiempo, el ventilador exterior, que normalmente sopla aire frío sobre el serpentín, se apaga para reducir la cantidad de calor necesaria para derretir la escarcha.
• Mientras esto sucede, la bomba de calor enfría el aire en los conductos. El sistema de calefacción normalmente calentaría este aire mientras se distribuye por toda la casa.

Se utiliza uno de dos métodos para determinar cuándo la unidad entra en modo de descongelación:

• Los controles de escarcha a demanda monitorean el flujo de aire, la presión del refrigerante, la temperatura del aire o del serpentín y el diferencial de presión en el serpentín exterior para detectar la acumulación de escarcha.
• El descongelamiento por tiempo y temperatura se inicia y finaliza mediante un temporizador de intervalo preestablecido o un sensor de temperatura ubicado en el serpentín exterior. El ciclo se puede iniciar cada 30, 60 o 90 minutos, dependiendo del clima y del diseño del sistema.

Los ciclos de descongelación innecesarios reducen el rendimiento estacional de la bomba de calor. Como resultado, el método de descongelamiento a demanda es generalmente más eficiente ya que inicia el ciclo de descongelamiento sólo cuando es necesario.

Fuentes de calor suplementarias

Dado que las bombas de calor de fuente de aire tienen una temperatura de funcionamiento exterior mínima (entre -15 °C y -25 °C) y una capacidad de calefacción reducida a temperaturas muy frías, es importante considerar una fuente de calefacción suplementaria para el funcionamiento de las bombas de calor de fuente de aire. También puede ser necesaria calefacción adicional cuando la bomba de calor se está descongelando. Hay diferentes opciones disponibles:

• Totalmente eléctrico: en esta configuración, el funcionamiento de la bomba de calor se complementa con elementos de resistencia eléctrica ubicados en los conductos o con zócalos eléctricos. Estos elementos de resistencia son menos eficientes que la bomba de calor, pero su capacidad para proporcionar calefacción es independiente de la temperatura exterior.
• Sistema híbrido: en un sistema híbrido, la bomba de calor de fuente de aire utiliza un sistema complementario, como un horno o una caldera. Esta opción se puede utilizar en instalaciones nuevas y también es una buena opción cuando se agrega una bomba de calor a un sistema existente, por ejemplo, cuando se instala una bomba de calor como reemplazo de un aire acondicionado central.

Consulte la sección final de este folleto, Equipos relacionados, para obtener más información sobre sistemas que utilizan fuentes de calefacción suplementarias. Allí, puede encontrar información sobre opciones sobre cómo programar su sistema para realizar la transición entre el uso de bomba de calor y el uso de fuente de calor suplementaria.

Consideraciones de eficiencia energética

Para respaldar la comprensión de esta sección, consulte la sección anterior denominada Introducción a la eficiencia de la bomba de calor para obtener una explicación de lo que representan los HSPF y SEER.

En Canadá, las regulaciones de eficiencia energética prescriben una eficiencia estacional mínima en calefacción y refrigeración que debe alcanzarse para que el producto se venda en el mercado canadiense. Además de estas regulaciones, su provincia o territorio puede tener requisitos más estrictos.

A continuación se resumen el rendimiento mínimo para Canadá en su conjunto y los rangos típicos de los productos disponibles en el mercado para calefacción y refrigeración. También es importante verificar si existen regulaciones adicionales en su región antes de seleccionar su sistema.

Rendimiento estacional de refrigeración, SEER:

• SEER mínimo (Canadá): 14
• Rango, SEER en Mercado Productos Disponibles: 14 a 42

Rendimiento estacional de calefacción, HSPF

• HSPF mínimo (Canadá): 7,1 (para la Región V)
• Rango, HSPF en productos disponibles en el mercado: 7,1 a 13,2 (para la Región V)

Nota: Los factores HSPF se proporcionan para la zona climática V del AHRI, que tiene un clima similar al de Ottawa. Las eficiencias estacionales reales pueden variar según su región. Actualmente se está desarrollando un nuevo estándar de rendimiento que pretende representar mejor el rendimiento de estos sistemas en las regiones canadienses.

Los valores reales de SEER o HSPF dependen de una variedad de factores relacionados principalmente con el diseño de la bomba de calor. El rendimiento actual ha evolucionado significativamente en los últimos 15 años, impulsado por nuevos desarrollos en tecnología de compresores, diseño de intercambiadores de calor y mejoras en el flujo y control del refrigerante.

Bombas de calor de velocidad única y velocidad variable

De particular importancia al considerar la eficiencia es el papel de los nuevos diseños de compresores en la mejora del rendimiento estacional. Normalmente, las unidades que funcionan al mínimo SEER y HSPF prescrito se caracterizan por bombas de calor de una sola velocidad. Actualmente se encuentran disponibles bombas de calor de fuente de aire de velocidad variable que están diseñadas para variar la capacidad del sistema para adaptarse más estrechamente a la demanda de calefacción/refrigeración de la casa en un momento dado. Esto ayuda a mantener la máxima eficiencia en todo momento, incluso durante condiciones más suaves cuando hay menos demanda en el sistema.

Más recientemente, se han introducido en el mercado bombas de calor de fuente de aire que se adaptan mejor al funcionamiento en el frío clima canadiense. Estos sistemas, a menudo llamados bombas de calor para climas fríos, combinan compresores de capacidad variable con diseños y controles mejorados de intercambiadores de calor para maximizar la capacidad de calefacción a temperaturas de aire más frías, manteniendo al mismo tiempo altas eficiencias durante condiciones más suaves. Estos tipos de sistemas suelen tener valores SEER y HSPF más altos; algunos sistemas alcanzan SEER de hasta 42 y HSPF se acercan a 13.

Certificación, estándares y escalas de calificación

La Asociación Canadiense de Normas (CSA) actualmente verifica la seguridad eléctrica de todas las bombas de calor. Una norma de rendimiento especifica pruebas y condiciones de prueba en las que se determinan las capacidades y la eficiencia de calefacción y refrigeración de las bombas de calor. Los estándares de prueba de rendimiento para bombas de calor de fuente de aire son CSA C656, que (a partir de 2014) se ha armonizado con ANSI/AHRI 210/240-2008, Clasificación de rendimiento de equipos de bomba de calor de fuente de aire y aire acondicionado unitario. También reemplaza CAN/CSA-C273.3-M91, estándar de rendimiento para aires acondicionados centrales de sistema dividido y bombas de calor.

Consideraciones de tamaño

Para dimensionar adecuadamente su sistema de bomba de calor, es importante comprender las necesidades de calefacción y refrigeración de su hogar. Se recomienda contratar a un profesional de calefacción y refrigeración para realizar los cálculos necesarios. Las cargas de calefacción y refrigeración deben determinarse utilizando un método de dimensionamiento reconocido como CSA F280-12, "Determinación de la capacidad requerida de aparatos de calefacción y refrigeración de espacios residenciales".

El dimensionamiento de su sistema de bomba de calor debe realizarse de acuerdo con el clima, las cargas de calefacción y refrigeración del edificio y los objetivos de su instalación (por ejemplo, maximizar el ahorro de energía en calefacción versus desplazar un sistema existente durante ciertos períodos del año). Para ayudar con este proceso, NRCan ha desarrollado una Guía de selección y tamaño de bombas de calor de fuente de aire. Esta guía, junto con una herramienta de software complementaria, está destinada a asesores energéticos y diseñadores mecánicos, y está disponible gratuitamente para brindar orientación sobre el dimensionamiento adecuado.

Si una bomba de calor es de tamaño insuficiente, notará que el sistema de calefacción suplementario se utilizará con más frecuencia. Si bien un sistema de tamaño insuficiente seguirá funcionando de manera eficiente, es posible que no obtenga los ahorros de energía previstos debido al uso elevado de un sistema de calefacción suplementario.

Del mismo modo, si una bomba de calor está sobredimensionada, es posible que no se obtengan los ahorros de energía deseados debido a un funcionamiento ineficiente en condiciones más suaves. Si bien el sistema de calefacción suplementario funciona con menos frecuencia, en condiciones ambientales más cálidas, la bomba de calor produce demasiado calor y la unidad se enciende y apaga, lo que provoca incomodidad, desgaste de la bomba de calor y consumo de energía eléctrica en espera. Por lo tanto, es importante comprender bien su carga de calefacción y cuáles son las características de funcionamiento de la bomba de calor para lograr un ahorro de energía óptimo.

Otros criterios de selección

Además del tamaño, se deben considerar varios factores de rendimiento adicionales:

• HSPF: Seleccione una unidad con un HSPF tan alto como sea práctico. Para unidades con clasificaciones HSPF comparables, verifique sus clasificaciones de estado estable a –8,3 °C, la clasificación de baja temperatura. La unidad con el valor más alto será la más eficiente en la mayoría de las regiones de Canadá.
• Descongelamiento: Seleccione una unidad con control de descongelamiento a demanda. Esto minimiza los ciclos de descongelación, lo que reduce el uso de energía suplementaria y de la bomba de calor.
• Clasificación de sonido: el sonido se mide en unidades llamadas decibeles (dB). Cuanto menor sea el valor, menor será la potencia sonora emitida por la unidad exterior. Cuanto mayor sea el nivel de decibeles, más fuerte será el ruido. La mayoría de las bombas de calor tienen una calificación sonora de 76 dB o menos.

Consideraciones de instalación

Las bombas de calor de fuente de aire deben ser instaladas por un contratista calificado. Consulte a un profesional local de calefacción y refrigeración para dimensionar, instalar y mantener su equipo para garantizar operaciones eficientes y confiables. Si está buscando implementar una bomba de calor para reemplazar o complementar su caldera central, debe tener en cuenta que las bombas de calor generalmente funcionan con flujos de aire más altos que los sistemas de calefacción. Dependiendo del tamaño de su nueva bomba de calor, es posible que sea necesario realizar algunas modificaciones en los conductos para evitar ruido adicional y uso de energía del ventilador. Su contratista podrá orientarle sobre su caso específico.

El costo de instalar una bomba de calor de aire depende del tipo de sistema, sus objetivos de diseño y cualquier equipo de calefacción y conductos existentes en su hogar. En algunos casos, es posible que se requieran modificaciones adicionales a los conductos o servicios eléctricos para respaldar la instalación de su nueva bomba de calor.

Consideraciones de operación

Debe tener en cuenta varias cosas importantes al operar su bomba de calor:

• Optimice los puntos de ajuste de la bomba de calor y del sistema suplementario. Si tiene un sistema eléctrico suplementario (p. ej., zócalos o elementos de resistencia en el conducto), asegúrese de utilizar un punto de ajuste de temperatura más bajo para su sistema suplementario. Esto ayudará a maximizar la cantidad de calefacción que la bomba de calor proporciona a su hogar, reduciendo el uso de energía y las facturas de servicios públicos. Se recomienda un punto de ajuste de 2 °C a 3 °C por debajo del punto de ajuste de temperatura de calefacción de la bomba de calor. Consulte a su instalador sobre el punto de ajuste óptimo para su sistema.
• Configure para un descongelamiento eficiente. Puede reducir el uso de energía configurando su sistema para apagar el ventilador interior durante los ciclos de descongelación. Esto lo puede realizar su instalador. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el descongelamiento puede tardar un poco más con esta configuración.
• Minimiza los retrocesos de temperatura. Las bombas de calor tienen una respuesta más lenta que los sistemas de calefacción, por lo que tienen más dificultades para responder a cambios profundos de temperatura. Se deben emplear retrocesos moderados de no más de 2°C o se debe utilizar un termostato “inteligente” que encienda el sistema temprano, en previsión de una recuperación del retroceso. Nuevamente, consulte a su contratista de instalación sobre la temperatura de retroceso óptima para su sistema.
• Optimice la dirección del flujo de aire. Si tiene una unidad interior montada en la pared, considere ajustar la dirección del flujo de aire para maximizar su comodidad. La mayoría de los fabricantes recomiendan dirigir el flujo de aire hacia abajo cuando se calienta y hacia los ocupantes cuando se enfría.
• Optimice la configuración del ventilador. Además, asegúrese de ajustar la configuración del ventilador para maximizar la comodidad. Para maximizar el calor entregado por la bomba de calor, se recomienda configurar la velocidad del ventilador en alta o en "Auto". En refrigeración, para mejorar también la deshumidificación, se recomienda la velocidad del ventilador "baja".

Consideraciones de mantenimiento

El mantenimiento adecuado es fundamental para garantizar que su bomba de calor funcione de manera eficiente, confiable y tenga una larga vida útil. Debe contratar a un contratista calificado para que realice el mantenimiento anual de su unidad para garantizar que todo esté en buen estado de funcionamiento.

Además del mantenimiento anual, hay algunas cosas sencillas que puede hacer para garantizar un funcionamiento fiable y eficiente. Asegúrese de cambiar o limpiar su filtro de aire cada 3 meses, ya que los filtros obstruidos disminuirán el flujo de aire y reducirán la eficiencia de su sistema. Además, asegúrese de que las rejillas de ventilación y los registros de aire de su hogar no estén bloqueados por muebles o alfombras, ya que un flujo de aire inadecuado hacia o desde su unidad puede acortar la vida útil del equipo y reducir la eficiencia del sistema.

Costos de operacion

El ahorro de energía al instalar una bomba de calor puede ayudar a reducir sus facturas mensuales de energía. Lograr una reducción en sus facturas de energía depende en gran medida del precio de la electricidad en relación con otros combustibles como el gas natural o el combustible para calefacción y, en aplicaciones de modernización, del tipo de sistema que se reemplaza.

Las bombas de calor en general tienen un costo mayor en comparación con otros sistemas, como calderas o zócalos eléctricos, debido a la cantidad de componentes del sistema. En algunas regiones y casos, este costo adicional se puede recuperar en un período de tiempo relativamente corto mediante el ahorro en los costos de los servicios públicos. Sin embargo, en otras regiones, las variaciones en las tarifas de los servicios públicos pueden extender este período. Es importante trabajar con su contratista o asesor energético para obtener una estimación de la economía de las bombas de calor en su área y los ahorros potenciales que puede lograr.

Esperanza de vida y garantías

Las bombas de calor aerotérmicas tienen una vida útil de entre 15 y 20 años. El compresor es el componente crítico del sistema.

La mayoría de las bombas de calor están cubiertas por una garantía de un año en piezas y mano de obra, y una garantía adicional de cinco a diez años en el compresor (solo para piezas). Sin embargo, las garantías varían según el fabricante, así que consulte la letra pequeña.

Observación:

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