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¿Cómo funciona la Bomba de Calor? (I)

Hace pocos días, un lector preguntaba en un comentario cómo era posible que la bomba de calor tuviera un rendimiento de más del 100 % en comparación con un radiador eléctrico. Le contesté en un nuevo artículo pero no sé si quedó convencido de ello. Al mismo tiempo, nuestro amigo y habitual colaborador ALBERT, le daba una explicación exhaustiva pero muy clara y didáctica de cómo funciona la bomba de calor y por qué puede obtenerse de ella cuatro veces más calor que un radiaodor eléctrico con el mismo consumo de electricidad. No quiero perder la oportunidad de editar ese comentario de ALBERT sobre tan interesante tema. Nuestro amigo lo explica así: 

«Albert2 de abril de 2013 18:02

Resumiendo mucho, una bomba de calor funciona gracias a un doble cambio de fase de un fluido refrigerante. Actuando como calefacción en invierno, funciona más o menos así: 

Al fluido refrigerante en estado líquido se le permite expandirse mediante una válvula y acceder al evaporador, en donde cambia de estado a gas. El evaporador es un intercambiador de calor en donde al evaporarse, el fluido absorbe el calor de evaporación del aire circundante. El evaporador está en el EXTERIOR de la casa y por lo tanto es al aire exterior al que el fluido le absorbe calor.

El fluido que ahora es gaseoso y caliente se comprime mediante un compresor eléctrico aumentando aún más su temperatura y se envía al condensador que está en el INTERIOR de la casa. En el condensador el fluido gaseoso cambia a estado líquido, enfriándose y cediendo a la estancia el calor que había absorbido en el exterior más el equivalente en calor del trabajo realizado por el compresor. Finalmente, el refrigerante líquido se vuelve a llevar a la válvula de expansión para cerrar el ciclo.

Hay que observar que la energía calorífica que calienta la estancia proviene por una parte del trabajo del compresor y por otra del calor absorbido por el fluido en el exterior y transportado al interior, por eso se llama bomba, porque “bombea” calor de un sitio a otro. 

Si por ejemplo necesitamos una potencia eléctrica de 1 kW para accionar el compresor y absorbemos 3 kW de calor del exterior, entregando un total de 4 kW de calor a la estancia, entonces decimos que la “eficiencia” llamada COP de la bomba es de 4 : 1 = 4. 

Consumiendo 1 kW de energía eléctrica obtenemos 4 kW de calor, COP=4

Observad que la bomba absorbe calor en el exterior que está frío, por ejemplo a 0ºC y lo cede en el interior que ya está caliente por ejemplo a 21ºC. Absorbe calor de un foco frío y lo cede a uno caliente. Éste no es un proceso espontáneo, violaría el 2º principio de la termodinámica, sino forzado por el compresor, que ha de consumir energía eléctrica para lograrlo. 

Lógicamente, contra más frío hace fuera más difícil es robar calor al aire exterior, y contra más caliente está el aire interior también es más difícil continuar cediéndole calor: si la temperatura exterior ya no es de 0ºC sino de 10ºC bajo cero y en el interior no queremos 21ºC sino 28ºC, entonces con la misma energía eléctrica de antes ya no podremos bombear tanto calor de fuera a dentro y el COP se reducirá. 

Finalmente, si en verano queremos que la bomba en vez de calefacción nos proporcione aire frío, no hay más que hacer que el fluido refrigerante gire en sentido contrario. Entonces el intercambiador de calor exterior se convierte en condensador y el interior en evaporador.»«

Poco más he de añadir que no sea expresarle mi agradecimiento a ALBERT por su aportación, que con maestría y claridad nos ha ilustrado con una explicación técnica compleja expresada con la mayor sencillez. Para que todos los lectores lo entiendan.

Por ACDCLE

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6 respuestas a «¿Cómo funciona la Bomba de Calor? (I)»

¿Con qué diferencia de temperatura interior/exterior el COP pasa a ser 1, osea, empieza a tener el mismo rendimiento que cualquier otro sistema eléctrico de calefacción? ¿podría llegar a ser el COP menor de 1, con lo cual sería menos interesante que otros sistemas de calefacción eléctrico?

Gracias de antemano si alguien puede responderme a estas preguntas.

Ricardo

Cuando se utiliza la bomba de calor con una temperatura exterior (e interior) muy baja, el fluido de intercambio de calor, que normalmente se encuentra en fase líquida y fase vapor, puede llegar a congelarse. Para evitar esa situación, las bombas de calor disponen de un sistema de calefacción que descongela dicho fluido. Generalmente el aparato indica esa situación con una luz naranja en el frontal.

Pues bien, cuando sucede esto, el rendimiento de la bomba de calor cae en picado, aparte de que se producen momentos en los que el funcionamiento de la bomba de calor queda suspendido. Se consume electricidad en una resistencia para calentar el fluido hasta que el fluido alcanza una temperatura de funcionamiento mínima para poder funcionar correctamente.

Si la temperatura exterior (e interior) es excesivamente baja, los tiempos de parada de descongelación representarán una fracción importante del tiempo total de funcionamiento, haciendo que el rendimiento sea muy bajo. Para que el COP sea inferior a 1, el calor invertido en descongelar el fluido debería perderse en el exterior, es decir, la temperatura exterior debería ser inferior a la de congelación del fluido. Considerando que esa situación imposibilitaría el funcionamiento del aparato, y teniendo en cuenta que las bombas de calor disponen de múltiples sistemas de control, la respuesta es que el propio aparato aborta su puesta en funcionamiento cuando las condiciones de trabajo son cercanas a las que teóricamente producirían un COP menor de 1.

Por lo tanto, con temperaturas muy bajas el COP cae a niveles de 2 o inferiores. Y en caso de tener que trabajar con condiciones extremas, el aparato directamente deja de funcionar, de manera que no es que una estufa de resistencia pueda llegar a ser más eficiente, sino que la estufa de resistencia será la única solución para calentarse mediante electricidad.

Como ves, no te he dicho la temperatura a la que esto sucede, pero en los aparatos que se venden en España generalmente ocurre a temperaturas exteriores de -5ºC. La temperatura interior también tiene su importancia, puesto que si ya tenemos una temperatura elevada, contribuiremos a que la temperatura del fluido se mantenga por encima de su temperatura de congelación, mientras que si ponemos el aparato en marcha en una vivienda a 10ºC, lo que estaremos haciendo es enfriar mucho el fluido, contribuyendo a que al pasar a su etapa de expansión se congele.

Existen aparatos preparados para funcionar en climas más fríos, pero son más caros. El límite inferior de trabajo no lo conozco, supongo que Antonio o Albert te podrán dar ese dato.

Espero haberte ayudado. Un saludo.

Estimado Antonio:
En alguna otra ocasión te he realizado esta pregunta sin obtener ninguna respuesta ¡a ver si hoy tengo suerte!. En un aire acondicionado portátil, si le damos la vuelta al aparato y expulsamos el aire frío al exterior, introduciendo el caliente en el interior ¿se comportará como una bomba de calor? Si la respuesta es afirmativa, ¿como puedo saber su COP conociendo su EER? ¿Será la misma cifra? (en mi caso los 2,84).

Sabiendo que la eficiencia de las bombas de calor es inferior con temperaturas exteriores muy bajas, en este caso (el evaporador esta en el interior) ¿no mejorara tremendamente esta eficiencia?

saludos

javier