Las bombas de calor han sido un tema en tendencia en los últimos años: su objetivo es reemplazar a todos los demás tipos de sistemas de calefacción de espacios y agua en los próximos 10/15 años, con el fin de alcanzar los objetivos de descarbonización definidos en todo el mundo.
Tras haber trabajado en este mercado durante más de 20 años, he participado en cientos de sesiones de preguntas y respuestas sobre la tecnología de las bombas de calor, que abarcan desde estudios académicos hasta la participación de diferentes actores (fabricantes, instaladores, consumidores), que recientemente se han acercado a esta aplicación.
Voy a enumerar algunas de las preguntas y respuestas más habituales, es una selección personal.
¿Cuál es la temperatura mínima a la que puede funcionar una bomba de calor y cuál es el impacto de la temperatura en su COP?
La temperatura mínima a la que puede funcionar una bomba de calor depende de:
- El tipo de bomba de calor (aire, agua, geotermia)
- El diseño de la bomba de calor
- El tipo de refrigerante
- El modelo/tipo de compresor
El COP depende de la temperatura de evaporación, que está estrechamente relacionada con la temperatura exterior. Cuanto más baja sea la temperatura, más bajo será el COP.
Sin embargo, el COP también depende del tipo de sistema de distribución de aire/agua de la vivienda. La calefacción por suelo radiante es, por ejemplo, el método que proporciona la mejor eficiencia. Los calentadores eléctricos no se utilizan para aumentar el COP, sino para aumentar la capacidad o la temperatura de suministro de agua en determinadas condiciones de trabajo.
Tipos de bombas de calor
Las bombas de calor aerotérmicas suelen funcionar con las temperaturas de evaporación más bajas. En los países del norte, se espera que funcionen con temperaturas exteriores de hasta -25°C, lo que significa una temperatura de evaporación del refrigerante de -33°C. Se espera que los valores del COP en estas condiciones estén entre 2 y 4. La calefacción por suelo radiante de agua es la opción más inteligente para obtener valores de COP relativamente buenos en estos casos.
En Italia, las bombas de calor funcionan con temperaturas exteriores de entre -15°C y -5°C, lo que significa que su COP puede llegar a 3 o 4, incluso con sistemas de distribución menos eficientes, como los fancoils. Las bombas de calor de agua y geotérmicas utilizan una fuente de temperatura más alta, incluso por encima de 0°C.
Diseño bomba de calor
En esencia, no hay límites reales para la temperatura mínima de trabajo de una bomba de calor cuando se utilizan varios ciclos en cascada. Cada ciclo puede utilizar un refrigerante adecuado, lo que reduce el límite hasta los -100°C. De hecho, las bombas de calor industriales en cascada se utilizan con más frecuencia para elevar la temperatura de suministro de agua caliente/aire a 200 grados o más, mientras que el límite inferior es más interesante en la industria de la refrigeración.
Refrigerante
Cualquier bomba de calor o circuito de refrigerante basado en el ciclo de compresión de vapor funciona a una presión superior a la atmosférica. Esto evita que el aire exterior entre en el circuito en caso de fugas. Por este motivo, la temperatura mínima teórica de evaporación cuando se utiliza un refrigerante corresponde a su punto de ebullición. Por ejemplo, para el R-290 (propano), el punto de ebullición es de -42°C. Con un diferencial típico de 7°C en el intercambio de calor del evaporador, una bomba de calor de propano puede funcionar teóricamente hasta temperaturas exteriores de -35°C. El R-744 (dióxido de carbono) tiene un punto de ebullición de -78°C.
Modelo de compresor
Entre las diversas especificaciones del compresor, la temperatura mínima de evaporación es el factor que determina su elección como componente adecuado para una determinada bomba de calor. Además, la relación de compresión máxima también es un límite que afecta al diseño de la bomba de calor. Como la temperatura mínima de evaporación también depende de la temperatura de suministro de agua caliente, cuanto mayor sea esta temperatura, mayor deberá ser la temperatura de evaporación del compresor para respetar los límites de ratio.
¿Cómo evitar la congelación de una bomba de calor en invierno sin utilizar un calentador eléctrico?
En cuanto a la congelación del agua, la mejor solución es evitar instalar las tuberías de agua en el exterior. Por este motivo, las bombas de calor split son populares en los países más fríos. Todo el circuito de agua se encuentra en el interior.
En cambio, cuando se utilizan bombas de calor autónomas exteriores, una parte del circuito de agua está expuesta al frío. Existen muchas opciones para reducir el riesgo de congelación del agua:
- Aislamiento de las tuberías de agua
- Circulación continua o intermitente del agua, incluso cuando la bomba de calor está apagada; por ejemplo, si la temperatura del agua desciende por debajo de los 5°C
- Funcionamiento forzado de la bomba de calor cuando la temperatura del agua es baja
- Mezcla del agua con anticongelante, como etilenglicol
- (calentadores eléctricos… €€)
Por supuesto, se pueden combinar varias de ellas, activarlas juntas o a intervalos.
Además, la configuración monobloque hydrosplit también es útil para dividir el circuito de agua en dos. El primer circuito (primario) está conectado a la bomba de calor, en parte al aire libre y es bastante corto. Este circuito se puede diluir con una cantidad limitada de líquido anticongelante para evitar que el agua se congele. El circuito secundario está totalmente en el interior y cubre todas las necesidades de distribución de calefacción de la casa con agua de red.
En cuanto a la congelación del serpentín del evaporador, no hay mucho que decir. Cuando la temperatura de evaporación es inferior a 0°C (lo que normalmente ocurre con temperaturas del aire exterior inferiores a 7°C), el serpentín se congelará debido a la humedad del aire exterior. Es necesario descongelar periódicamente para derretir el hielo. El uso de calentadores no es muy común en el mercado de las bombas de calor para descongelar. Los desescarches de ciclo inverso y los desescarches por gas caliente son los métodos más adecuados para este tipo de aplicación.
¿Cuáles son las estrategias de desescarche típicas en bombas de calor aire-agua?
El proceso de desescarche se puede dividir en tres pasos principales, que definen:
- Frecuencia
- Duración
- Operaciones adicionales
La duración depende principalmente de la presión/temperatura del serpentín, que detiene el proceso cuando supera los valores altos. Esto evita que se active la alarma de alta presión del compresor. También se utilizan con bastante frecuencia los tiempos mínimo y máximo.
Las operaciones adicionales tienen como objetivo principal eliminar las gotas de agua del serpentín después del desescarche, encender el compresor y el ventilador después de los retrasos adecuados. La gestión de la válvula de 4 vías de ciclo inverso también forma parte del proceso de desescarche. La válvula debe conmutarse dentro de un rango de diferencial de presión definido, para evitar tensiones no deseadas en el compresor y las tuberías, y para evitar que la válvula se quede atascada en una posición intermedia.
El cálculo de la frecuencia del desescarche requiere una atención especial, ya que la búsqueda del método perfecto es constante y forma parte del conocimiento básico de cada fabricante de bombas de calor.
Está principalmente relacionado con el diseño del serpentín, el rango de trabajo esperado de la bomba de calor y los sensores y actuadores disponibles (como las válvulas de expansión electrónicas, que proporcionan su posición como información útil).
Los métodos para definir la frecuencia incluyen la monitorización de la presión del serpentín (succión del compresor) como una de las variables principales. Esta disminuye cuando la bomba de calor está en funcionamiento, principalmente debido a la formación de hielo y/o una caída de la temperatura exterior. También se tienen en cuenta la temperatura y el diferencial de suministro de agua caliente, que son el objetivo general de la bomba de calor; de hecho, la frecuencia de desescarche debe proporcionar un equilibrio entre un rendimiento deficiente y una interrupción demasiado frecuente del servicio. También se utilizan tiempos mínimos y máximos para evitar que los desescarches se realicen con demasiada frecuencia o con una frecuencia insuficiente. También se puede tener en cuenta la duración del desescarche: cuando es demasiado corta, la frecuencia de desescarche actual probablemente sea demasiado alta y viceversa. Por último, la posición de la válvula de expansión mencionada anteriormente se puede utilizar para estimar el flujo másico actual del refrigerante y, en consecuencia, el intercambio de calor del serpentín, que disminuye a medida que se forma hielo.
Con un conjunto específico de información, el objetivo final de cada fabricante es definir los mejores umbrales para optimizar el proceso de desescarche. ¡Desafortunadamente (o afortunadamente) no existe un algoritmo universal único!
¿Cuáles son las ventajas de utilizar compresores inverter en bombas de calor?
En comparación con los compresores de velocidad fija, las dos principales ventajas de utilizar compresores inverter en una bomba de calor son una mayor fiabilidad y eficiencia.
De hecho, la parte más exigente en términos de vida útil del compresor es el arranque, mientras que cuando funciona en condiciones estables normalmente no hay mucho efecto en su fiabilidad. De hecho, después de que el compresor se pone en marcha, el circuito de la bomba de calor tarda unos minutos en alcanzar condiciones estables y eficientes para todos sus componentes, en particular los intercambiadores de calor.
Desde esta perspectiva, los compresores inverter pueden modular y adaptar su velocidad y, por lo tanto, su capacidad a la carga requerida, reduciendo drásticamente el número de arranques y paradas del compresor. Además, funcionan la mayor parte del tiempo en condiciones estables y de carga parcial, donde el menor caudal másico de refrigerante aumenta la eficiencia de los intercambiadores de calor. En otras palabras, estos compresores permiten que la bomba de calor suministre la misma temperatura de salida de agua/aire con una temperatura de condensación del refrigerante más baja, y que funcione a la misma temperatura exterior con una temperatura de evaporación más alta.
Si bien los compresores de velocidad fija, ya sea que estén encendidos o apagados, siempre se verán afectados por ambos problemas debido a los ciclos continuos de arranque y parada.