BOMBA DE CALOR – Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento de la bomba de calor incluye a los acondicionadores de aire frío - calor y a las heladeras.

Introducción

Cuando nos encontramos en un día de mucho calor de verano y en el interior de nuestra casa tenemos 38ºC y en el exterior 30ºC, al abrir las ventanas se producirá un flujo de calor hacia afuera, que hará bajar la temperatura de nuestra casa.

Pero si en el exterior hubiéramos tenido 38ºC y adentro de nuestra casa 30ºC, el flujo de calor, al abrir las ventanas, habría tenido sentido opuesto al del caso anterior: el calor habría ingresado a nuestra casa desde el exterior y habría aumentado la temperatura en su interior.

El calor siempre fluye desde donde la temperatura es más alta hacia donde es menor.

¿Pero entonces que podemos hacer en una noche de calor en que en nuestro dormitorio tenemos 30ºC y afuera tenemos 35ºC, si el calor no puede ir desde nuestra habitación hacia afuera, y necesitamos tener 25º para poder dormir?

Tendremos que encender el aire acondicionado en la función “frío”, ya que es un aparato que logra que el calor de un ambiente con menor temperatura pueda ser enviado al exterior que tiene mayor temperatura.

Veremos a continuación como el aire acondicionado logra este objetivo sin violar ningún principio termodinámico.

¿Cómo transferir calor de un medio con menor temperatura a otro con mayor temperatura?

El “truco” consiste en usar el concepto de  máquina frigorífica, que utiliza un fluido intermediario para realizar un ciclo termodinámico, que se basa en la evaporación y licuefacción de este fluido. El fluido que se utiliza se denomina genéricamente refrigerante. Este fluído refrigerante se encargará de absorber calor de un medio que se encuentre a mayor temperatura que la suya y entregarlo a un medio que se encuentre a menor temperatura, sin contradecir el principio de que el calor solo puede ser transferido de un medio caliente a otro más frío, logrando así el objetivo que nos hemos propuesto.

Calor sensible: Cuando se aplica (o quita) calor a una sustancia y ésta aumenta (o baja) su temperatura, se está aplicando (o quitando) calor sensible.

Calor latente: Cuando se aplica o quita calor a una sustancia y ésta no varía su temperatura, sino que cambia de estado, se está aplicando o quitando calor latente.

Por ejemplo, cuando calentamos un líquido, como agua, mientras no se transforme en vapor, le estaremos entregando calor sensible desde la hornalla de nuestra cocina. Cuando el agua comience a hervir, todo el calor que le entreguemos será calor latente que servirá para cambiar del estado líquido al de vapor.

Tanto en un caso, como en el otro, siempre el calor se transferirá desde la sustancia de mayor temperatura hacia otra que se encuentre a una temperatura menor.

Bomba de calor funcionando como acondicionador de aire en verano

En la disposición mostrada en la Fig. 1, está representado esquemáticamente un acondicionador de aire con las diversas partes que lo componen: el compresor (abajo a la izquierda); el condensador, ubicado en la parte exterior de la casa, con su correspondiente ventilador;  el evaporador ubicado en la habitación de la casa que se quiere enfriar con su correspondiente ventilador y la válvula de expansión. Además, tenemos una llave de 2 vías colocada en modo refrigeración.

Fig.1 – Acondicionador de aire, funcionando para enfriar una habitación en verano. Fuente: captura de pantalla de la excelente animación publicada en http://instalacionesyeficienciaenergetica.com/bomba-de-calor-inverter-sistema-vrv/  confeccionada en la Universidad de Castilla la Mancha.

Funcionamiento del acondicionador de aire en verano (enfriando la habitación)

Siempre refiriéndonos a la Fig.1, el funcionamiento es el siguiente: 1º) El compresor comprime el gas refrigerante, de baja presión y baja temperatura proveniente del evaporador, aumentando su presión y temperatura, que resulta más alta que la exterior, enviándolo hacia el condensador, que se encuentra en el exterior. 2º) El ventilador del condensador ayuda, por convección, a enfriar ese gas refrigerante caliente y al hacerlo, se produce en el condensador una quita de calor latente de ese gas, cambiando su estado de gas a líquido, es decir condensándose. 3º) Ese fluído refrigerante en estado líquido, de salida del condensador, llega a la válvula de expansión, donde sufre una brusca expansión, o sea una brusca baja de presión, que lo enfría, ingresando al evaporador a una temperatura menor que la del ambiente, absorbiendo calor de la habitación, enfriándola. Pero el calor que la habitación le cede al fluido refrigerante en estado líquido, éste lo usa como calor latente, cambiando de estado, evaporándose, es decir transformándose nuevamente en gas y llegando al compresor a bajas temperatura y presión, para ser comprimido otra vez y repetir el ciclo.

El ventilador del evaporador está para forzar el aire interior más frío, por estar cerca del evaporador, a dirigirse hacia donde le ordenemos que vaya, moviendo las aletas de la unidad interior con el control remoto.

Observaciones

1º) Bomba de calor: a algunos autores les gusta llamar bomba de calor al aire acondicionado funcionando para enfriar en verano y también al aire acondicionado funcionando para entregar calor en invierno. Otros, en cambio, llaman bomba de calor solo cuando funciona para entregar calor. Aquí hemos adoptado el primer criterio ya que, como veremos a continuación, se trata de un mismo equipo, funcionando con el mismo principio, solo diferenciado por la posición en que se coloque la llave de 2 vías de entrada/salida del compresor.

2º) La heladera (en Argentina o refrigerador en otros países): El principio de funcionamiento mostrado en la Fig. 1, es también el principio de funcionamiento de las heladeras. El condensador está ubicado en la parte trasera de la heladera y no cuenta con ventilador. La función de mejorar la entrega de calor al exterior, se consigue mediante un disipador y pintando todo de negro para que disipe mejor el calor. Al conjunto que forman el condensador y los disipadores, que se asemeja a una parrilla, en Argentina suele llamarse el radiador. La válvula de expansión, normalmente es reemplazada por un capilar, que cumple la misma función. El evaporador se encuentra en el interior del compartimiento del freezer. Si ingresan para ver la animación, van a encontrar que en lugar de la válvula de expansión hay un capilar, que cumple la misma función.

Funcionamiento del acondicionador de aire en invierno (calefacción de la habitación)

Observese que la Fig.2 es idéntica a la Fig.1, excepto en que hemos invertido el sentido de circulación del líquido refrigerante mediante la llave inversora y esto trajo como consecuencia que se han intercambiado las funciones de condensador y evaporador, sin necesidad de hacerlo fisicamente, ya que todas las partes del equipo no es necesario moverlas de un lugar a otro en invierno con respecto al verano. Solo accionando la llave de 2 vías, transformamos el refrigerador en calefactor.

Fig.2 – Acondicionador de aire funcionando para calefaccionar una habitación en invierno (bomba de calor funcionando como calefactor)

Vamos a describir el funcionamiento del calefactor de la Fig.2: 1º) El compresor eleva la presión del fluído refrigerante  en estado gaseoso a baja presión y temperatura, proveniente del evaporador y lo envía al condensador. 2º) Igual que en el caso anterior, el gas comprimido caliente irradia calor con la ayuda de la convección  que produce el ventilador hacia el ambiente. La diferencia con la Fig.1, es que ahora el condensador está dentro del ambiente a calefaccionar y el calor que irradia es calor útil, a diferencia del caso anterior, que calentaba el exterior, sin ser aprovechado. 3º) Mediante la válvula de expansión,  se bajan bruscamente la presión y temperatura del fluído refrigerante en estado líquido. Ese refrigerante en estado líquido, ingresa al evaporador a una temperatura menor que la del exterior, por lo que absorbe calor latente que lo convierte en vapor, ingresando al compresor para comenzar nuevamente el ciclo.

Observaciones:

Es importante observar que tanto en la Fig.1, como en la Fig.2, en el condensador se produce un aporte de energía en forma de calor desde el exterior de la máquina, que es gratis, no siendo aportada por el compresor ni por los ventiladores. Esto trae como resultado que la energía útil sea mayor que la energía eléctrica consumida para obtenerla.

Ejemplo de temperaturas reales en una bomba de calor funcionando para enfriar

En la Fig. 3 se muestra un esquema de una bomba de calor funcionando para enfriar un ambiente en verano con valores típicos de temperaturas del fluído refrigerante, del ambiente a refrigerar  y del ambiente exterior, a donde se envía el calor del condensador. Esta imagen fue capturada del excelente blog http://arquitecnide.blogspot.com.ar/2013/07/aire-acondicionado-y-su-nivel-de.html  y la imagen pertenece al  Dpto. Edificación y Urbanismo. Universidad de Alicante. Este esquema es útil para verificar con un ejemplo real los valores de temperaturas, de los que hemos venido hablando si dar valores numéricos.

Fig.3 – Bomba de calor funcionando en modo frío, con temperaturas típicas del fluído refrigerante y de ambientes interno y externo. Fuente: Fuente: Dpto. Edificación y Urbanismo. Universidad de Alicante. Capturado de http://arquitecnide.blogspot.com.ar/2013/07/aire-acondicionado-y-su-nivel-de.html

Rendimientos

Eficiencia de una bomba de calor en modo frío (EER)

La eficiencia de un acondicionador de aire, funcionando en modo frío, se expresa por medio de la Relación de Eficiencia Energética (EER) (Energy Efficiency Ratio) y se define como el cociente entre la capacidad de refrigeración (potencia de calor absorbido dentro de la habitación por el equipo, expresada en vatios) y la potencia eléctrica consumida de la red, para alimentar al compresor y a los ventiladores, en unas condiciones específicas de temperatura con la unidad a plena carga. A este coeficiente también suele llamárselo  Índice de Eficiencia Energética (IEE).

                           EER = IEE = Capacidad de Refrigeración [W] / Potencia Eléctrica  [W]   

A cada rango de EER se le hace corresponder una letra (A, B, C, D, F, G). En las etiquetas no se informa el rango de EER que corresponde a cada letra, como está indicado en la Fig.4. Solo se informa la letra a que corresponde la unidad para el modo frío y el valor específico del IEE para esa unidad.

Fig. 4 – Correspondencia de letras con rango de EER

Eficiencia de una bomba de calor en modo calor (COP)

La eficiencia de una bomba de calor, en modo calor, se expresa por medio del Coeficiente de Performance (COP) (Coefficient of Performance)  y se define como el cociente entre la capacidad  (potencia) de calefacción y la potencia eléctrica absorbida de la red en unas condiciones específicas de temperatura con la unidad a plena carga. Numerador y denominador expresados em vatios.

A este coeficiente también suele llamárselo Clase de eficiencia energética en modo calefacción.

                          COP = Capacidad de Calefacción [W] / Potencia Eléctrica  [W]  

A cada rango de COP se le hace corresponder una letra (A, B, C, D, F, G). En las etiquetas de eficiencia energética, que se le entregan al usuario pegadas a los equipos, no se informa el valor del COP, solo se informa la letra A hasta G, correspondiente a ese equipo. En los manuales de instalación se informa el valor específico del COP para esa unidad. La tabla de la Fig.5, que corresponde a un equipo split (dividido), o sea con unidad interior y unidad exterior, varía ligeramente para los acondicionadores de aire de ventana, también llamados compactos.

Fig.5 – Tabla de correlación entre letras de eficiencia

energética y rangos de COP.

Ejemplo de etiqueta de eficiencia energética para un equipo Hitachi

Fig. 6 – Etiqueta de eficiencia energética para

un equipo Hitachi frio-calor. El consumo de energía

anual se calcula con un tiempo de funcionamiento de

500 horas anuales

Sistema inverter y sistemas de velocidad fija

En los sistemas convencionales, tanto en el modo frío, como en el modo calor, los compresores funcionan a una única velocidad fija, independientemente del valor de temperatura para la cual Ud lo haya seteado. Cuando la temperatura del ambiente se aleja en un determinado valor del deseado, el compresor arranca en base a la órden que recibe del termostato y se detiene cuando se ha sobrepasado en un determinado valor en sentido contrario la temperatura deseada.

Por ejemplo, refiriéndonos a la Fig.7, para el caso del modo calor, la temperatura elegida por el usuario fue de 21ºC (curva de color rosado) cuando el ambiente a calefaccionar se encontraba a 16ºC. El compresor arranca en 16ºC y para cuando se alcanzan los 24ºC. Se mantiene parado hasta que la temperatura baja hasta los 18ºC y entonces vuelve a arrancar y se mantiene funcionando a la misma velocidad hasta que la temperatura del ambiente alcanza otra vez los 24ºC. El control en este caso se hace siempre a la misma velocidad del compresor, con un tipo de control que se denomina “on/off”, o “todo o nada”. El equipo calienta o no calienta el ambiente y cuando calienta lo hace siempre con la misma intensidad. La habitación resultará más o menos calefaccionada según el compresor haya estado más o menos tiempo en marcha.

El compresor, que es quien consume la mayor cantidad de energía eléctrica en estos sistemas, se encuentra funcionado con reiterados arranques y paradas, lo cual resulta antieconómico, ya que durante cada arranque se produce un pico de corriente importante.

En los sistemas inverter, Fig.7 (curva verde), se realiza un control gradual de la velocidad del motor del compresor en función de la temperatura, acción que se realiza de manera más rápida, sin necesidad de parar el motor. Esto evita los arranques y paradas de los sistemas convencionales, lográndose una reducción del consumo de electricidad del orden del 30%, respecto a los sistemas convencionales. También los sistemas inverter resultan más silenciosos, al evitarse los constantes arranques y paradas de la unidad exterior, según Mitsubishi:  http://www.mitsubishi-electric.co.nz/heatpump/how.aspx

Fig.7 – Sistemas de velocidad fija (curva rosa) y sistemas inverter de velocidad variable (curva verde)

Fuente: http://www.mitsubishi-electric.co.nz/heatpump/how.aspx

Sobre los coeficientes EER y COP

Estos coeficientes tienen un valor mayor cuando la diferencia entre las temperaturas de condensación y evaporación es menor. O sea que dependen de la temperatura exterior y del valor de temperatura que el usuario resuelva tener en el interior de la habitación a refrigerar o a calefaccionar.

La opinión generalizada de los que más saben del tema, es que al EER y al COP hay que tomarlos en serio cuando se compara un equipo con otro. Pero no serían muy exactos para calcular el consumo eléctrico del equipo, por ejemplo, en base a su rendimiento y compararlo con el costo de un calefactor  de tiro balanceado, por ejemplo, produciendo ambos la misma cantidad de Kcal/hora.

En las Figuras 8 y 9 se muestran curvas sobre la variación del COP para diferentes valores de la diferencia entre las temperaturas de condensación y evaporación.

Fig.8 – Variación del COP con Tevap para distintos valores de Tcond.

Fuente: http://www.industrialheatpumps.nl/en/how_it_works/cop_heat_pump/

Fig.9 – Variación del COP en función de (Tcond – Tevap). Fuente: http://www.industrialheatpumps.nl/en/how_it_works/cop_heat_pump/