Integración de la bomba de calor en las instalaciones de climatización y ACS por Ricardo García San José

En este artículo se analizan los criterios básicos para la integración de las bombas de calor (BdC) en las instalaciones de Climatización y Agua Caliente Sanitaria (ACS); en primer lugar, se recuerdan los condicionantes del funcionamiento de las BdC resumiendo sus ventajas y sus limitaciones, para posteriormente definir los aspectos a contemplar para su integración en las instalaciones térmicas de los edificios.

Los esquemas de instalaciones que se incluyen en el texto deben tomarse como ejemplos de posibles soluciones, que ayuden a analizar como integrar los equipos, pero evidentemente en la práctica se tienen múltiples soluciones válidas que deben estudiarse en cada caso.

Principio de funcionamiento de las Bombas de Calor

Las BdC son equipos que transfieren el calor de fuentes a temperaturas más bajas hacia otras a mayor temperatura. Este proceso se realiza en contra de la transmisión natural del calor, de mayor a menor temperatura. El nombre proviene de la analogía hidráulica en la que las bombas elevan el agua, contra la acción de la gravedad, de depósitos a menor altura hacia otros situados en alturas superiores. En ambas circunstancias la acción “contra la naturaleza” requiere consumos de energía.

Figura 1: Símil hidráulico de bombeo y diagrama de energías de las Bombas de Calor

El objeto de las BdC es aprovechar el calor que se puede obtener de la naturaleza, a unos niveles térmicos insuficientes para las instalaciones de los edificios, elevándolos hasta las temperaturas necesarias mediante los compresores.

Como el calor obtenido en la fuente fría se extrae directamente de la naturaleza, una parte del calor aportado por las BdC tiene la consideración de Energía Renovable; es la parte que excede a la energía consumida. Por ello la denominación actual más extendida es la de AEROtermia, GEOtermia o HIDROtermia, según que el calor provenga del aire, de la tierra o del agua.

La eficiencia de las BdC se obtiene dividiendo el “Efecto Útil” (calor aportado) entre el consumo de energía; se define como el COP (Coefficient Of Performance) y siempre es superior a uno, ya que el calor entregado es la suma del extraído de la naturaleza más la energía consumida.

En este análisis no hay que olvidar que se están comparando energías térmica y eléctrica, por lo que se deben utilizar los factores de paso.

Ventajas de las BdC

Su ventaja fundamental es la transferencia de la energía de la naturaleza al interior de los locales, con un consumo de energías fósiles muy inferior a otros equipos como las calderas; también están especialmente indicadas para la recuperación de calores de baja temperatura, que en condiciones normales se perderían.

Otra ventaja, no menos importante, es que pueden proporcionar también frio, por lo que  incorporando las válvulas de 4 vías correspondientes, pueden utilizarse para calefacción o refrigeración (BdC Reversibles).

Figura 2: Esquema de funcionamiento de una BdC Reversible

Sus máximas prestaciones se obtienen en edificios que requieran simultáneamente frio y calor.

Inconvenientes de las BdC

Sus límites de funcionamiento los establecen las relaciones de compresión que pueden alcanzar los compresores; estás relaciones deben ser mayores cuanto menor sea la temperatura de la fuente fría (menores temperaturas exteriores) y cuanto mayor sea la temperatura de uso de las instalaciones. La consecuencia son los límites de funcionamiento para las temperaturas exteriores, así como las temperaturas máximas que pueden alcanzar. Sus prestaciones varían en función de ambas condiciones (exteriores e interiores), por lo que en las aplicaciones térmicas en los edificios se debe analizar su comportamiento estacional (SCOP) y no simplemente las condiciones de catálogo, que para los equipos aire/agua corresponden a temperaturas exteriores de 7ºC con 45ºC de producción de agua caliente. En el entorno de temperaturas exteriores de 0 a 7ºC, se tiene una reducción apreciable de las prestaciones debidas a los desescarches.

Figura 3: Variación de las prestaciones (Potencia y COP) de una bomba de calor Aire/Agua en función de las temperaturas exteriores y del agua producida

Cuando la energía se obtiene del terreno (Geotermia), o del agua (Hidrotermia), en ambos casos con equipos agua/agua, las condiciones de funcionamiento son más estables durante todo el año proporcionado resultados estacionales (SCOP) superiores, pero que requieren inversiones económicas muy altas; en España el clima es benigno por lo que las soluciones más habituales son con Aerotermia.

Con Aerotermia, estas variaciones obligan a definir la temperatura exterior para la cual la potencia de la BdC es capaz de cubrir las necesidades de calor; para temperaturas inferiores la BdC necesitara energía de apoyo y para temperaturas superiores se deberán regular sus aportaciones.

Figura 4: Esquemas de selección de BdC para calefacción con potencias inferior e igual a la necesaria.

Con calderas no se tienen estas variaciones en sus prestaciones, lo que simplifica su selección.

INTEGRACIÓN DE LAS BdC EN LAS INSTALACIONES TÉRMICAS DE LOS EDIFICIOS

Las instalaciones térmicas de los edificios requieren calor y/o frio. Para la integración de las BdC es fundamental seleccionar emisores térmicos que trabajen a la menor temperatura posible, compatible con los servicios de calor.

Los distintos tipos de emisores tienen diferentes niveles térmicos de trabajo.

Tabla 1: Temperaturas de funcionamiento (habituales y posibles) de los diferentes tipos de emisores térmicos.

Para la selección de los generadores térmicos, en primer lugar se deben definir los servicios que se utilizarán en el edificio, con las siguientes posibilidades:

• Solo Calor: ACS y Calefacción (únicamente en viviendas en la zona 1 de severidad climática de verano).
• Calor O/Y Frio: Calefacción y Refrigeración (edificios de oficinas en todas las zonas climáticas)
• Calor O/Y Frio: ACS, Calefacción y Refrigeración (Resto de edificios en todas las zonas climáticas y viviendas en zonas de severidad climática de verano mayor que 1)

Calor O frio es la situación habitual. En invierno se requiere calor y en verano frío, pero en muchos edificios, por las cargas internas, se tienen necesidades simultaneas de calor Y frío, típicamente en primavera y otoño.

Cuando se requiere calor O frio las bombas de calor son la mejor solución, ya que con enfriadoras se deben resolver las servidumbres necesarias para su instalación, por lo que se puede utilizar los mismos equipos en su versión de BdC reversible.

El número de unidades dependerá de las necesidades de cada edificio; si las cargas de refrigeración fuesen mayores que las de calefacción alguna de las unidades puede ser únicamente enfriadoras.

Figura 5: Esquemas de instalación de Calor O Frio, con enfriadora y BdC Reversibles

Si se tienen necesidades de calor Y frio, las bombas de calor optimizan la eficiencia energética de las instalaciones al poder atender ambos servicios al mismo tiempo; las soluciones pueden ser con BdC polivalentes (a 4 tubos) o con enfriadoras con recuperación de calor.

Figura 6: Esquemas de instalación de Calor Y Frío, con enfriadora, BdC Reversible y a 4 tubos

Si también se necesita ACS, es conveniente prever un colector para este servicio, seleccionando BdC que trabajen a alta temperatura, pero previendo la conexión para permitir que se integren en los colectores de temperatura media, cuando no sea necesaria la alta temperatura, mejorando las prestaciones estacionales.

Figura 7: Esquemas de instalación de Calor O Frío, con BdC Reversibles de alta temperatura

Por último, cabe la alternativa de cubrir los servicios de alta temperatura con unidades agua/agua, con el evaporador conectado a los colectores de media temperatura; debe estudiarse el SCOP de dos ciclos encadenados que se reduce de manera muy importante, pero que es óptimo si alguna de las unidades ha debido arrancar en frío.

Figura 8: Esquemas de instalación de Calor Y Frío, con BdC Reversibles y Agua/Agua

Cuando únicamente se requiere calor (calefacción y ACS), las unidades serán solo BdC (No reversibles) pudiendo ser de alta temperatura o bien encadenando los ciclos de compresión mediante equipos aire/agua y agua/agua.

Figura 9: Esquemas de instalación de solo Calor, con BdC Reversibles de alta temperatura

En nueva edificación, los edificios deben cumplir las exigencias de aislamiento térmico, protección solar y ventilación con recuperación de calor, por lo que las potencias necesarias resultan bajas, facilitando la integración de las BdC para todos los servicios térmicos.

En edificación existente se tienen dos situaciones:

Rehabilitación total del edificio.

Si se interviene en la envolvente del edificio, la situación final será similar a la de nueva edificación, por lo que las soluciones para las instalaciones pueden ser las mismas que las anteriormente descritas, con las limitaciones impuestas por las servidumbres para la ubicación de las bombas de calor en edificios que requieran solo calor.

Reforma únicamente de las instalaciones.

En estos casos las potencias necesarias seguirán siendo altas por lo que no resultará adecuado realizar las instalaciones térmicas únicamente con BdC, debiéndose integrar en las instalaciones con calderas (hibridación).

Pueden ser necesarias temperaturas superiores a 70ºC según el año de construcción del edificio.

La integración puede realizarse previendo un precalentamiento del ACS y apoyo a calefacción.

Para la alta temperatura también pueden aplicarse BdC agua/agua.

Figura 10: Esquemas de instalación de solo Calor (Hibrida) integrando BdC y Calderas

Figura 11: Esquemas de instalación de solo Calor (Hibrida) integrando BdC Aire/Agua, BdC Agua/Agua y Calderas

SERVIDUMBRES PARA LA INTEGRACIÓN DE LAS BdC EN EDIFICIOS EXISTENTES

La instalación de BdC tiene unos requisitos que dificultan, e incluso pueden imposibilitar su ubicación en edificios existentes, si los mismos no se rehabilitan. Espacio necesario y necesidad de mover grandes caudales de aire exterior; son equipos más voluminosos que las calderas y, como referencia, necesitan mover unos 300 m3/h de aire por kW de potencia.

Figura 12: Ejemplos para reserva de espacios de instalaciones de Calderas y BdC

• Acometida eléctrica; en los edificios con instalaciones con calderas debe preverse una acometida eléctrica para las BdC.
• Son equipos más costosos que las calderas, por lo que es muy importante ajustar las potencias seleccionadas.

En los edificios que ya dispongan de enfriadoras, las servidumbres de espacio y aire exterior ya deben estar resueltos en la instalación existente.

CONCLUSIONES

El objetivo de “descarbonización” en 2050 obliga a la progresiva eliminación de las calderas de combustibles fósiles, las opciones son el uso de combustibles renovables y las BdC.

Los combustibles renovables tienen balance de emisiones neutro, pero emiten contaminantes en su emplazamiento; por ello, teniendo en cuenta las zonas de bajas emisiones urbanas, la solución más apropiada para los edificios son las bombas de calor.

Para el logro de tan ambicioso objetivo, el primer paso es la eficiencia, de manera que los edificios demanden muy poca energía, lo que facilitará la integración de las BdC al reducir drásticamente las potencias necesarias; actualmente la nueva edificación ya se está realizando con estos equipos.

El mayor reto reside en los edificios existentes, la implantación de los Pasaportes de Renovación debe incluir los análisis integrados de las reformas completas para 2050, de los edificios y sus instalaciones; para estos objetivos las BdC son los equipos fundamentales supeditados a que la producción eléctrica sea renovable.

En instalaciones centralizadas, se tiene una amplia oferta de equipos que facilitan estas soluciones, en las rehabilitaciones de los edificios se deben prever los espacios necesarios para ello; asimismo cada vez se tienen BdC que pueden trabajar a mayores temperaturas.

Las situaciones más complicadas se presentan en la sustitución de las calderas individuales, equipos que requieren nuevos desarrollos.