Existen diferentes alternativas para climatizar los edificios. Una de ellas es la bomba de calor, capaz de proporcionar aire frío o aire caliente.

En este post intentaré explicaros qué es y cómo funciona un sistema de bomba de calor aire-aire y posteriormente el sistema inverter y vrv/vrf.

Es importante también, comprender qué es el COP y el EER, para interpretar cuál es el equipo más eficiente desde el punto de vista del ahorro energético.

¿Qué es eso del refrigerante?

Estos sistemas, se basan en el funcionamiento de un equipo tradicional de aire acondicionado. Seguramente habremos escuchado la palabra refrigerante, y lo habremos relacionado con el aire acondicionado de un coche, una nevera, etc.

Pero la pregunta es: ¿cómo se puede producir frío con un refrigerante?

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Para comprenderlo, el refrigerante es un fluido que tiene la facilidad de absorber calor a una baja presión y baja temperatura, y cederlo a alta presión y alta temperatura.

Para ello, necesitamos que ese fluido tenga unas características especiales. Una de ellas (entre otras muchas), es que disponga de una temperatura de ebullición (cambio de líquido a gas) muy baja.

A continuación, y para hacerse una idea, se indican temperaturas de ebullición (a presión atmosférica) de diferentes elementos:

Tabla-Refrigerantes

Debemos imaginarnos, que ese fluido se encierra en un circuito de tubería (cobre), y se pone en contacto con el ambiente que se quiere enfriar; el refrigerante comenzará a absorber el calor y se evaporará fácilmente (baja temperatura de ebullición), con lo cual, lo que esté en contacto con esa parte del circuito estará fría.

Por lo tanto, el refrigerante está absorbiendo calor a baja temperatura y baja presión, cambiando de estado de líquido a gas. Esta parte del circuito se denomina EVAPORADOR.

Es necesario ceder el calor absorbido por el refrigerante. Para ello, del evaporador sale el gas a baja presión. Se necesita que la presión y temperatura del gas sean altas para el cambio de estado a líquido, empleándose el COMPRESOR. Una vez que se consigue elevar la presión y temperatura, el refrigerante debe transformarse en líquido, es decir, condensar. Este cambio de estado, se realiza en el CONDENSADOR, cediendo el calor absorbido al ambiente. Para poder reiniciar el ciclo, es necesario que el refrigerante en estado líquido a alta presión, la disminuya. Para ello, previo al EVAPORADOR, se intercala una VÁLVULA DE EXPANSIÓN.

En la siguiente animación de la Cátedra de Motores y Máquinas de la EUITA de la Universidad de Castilla la Mancha,  veréis de forma más gráfica el funcionamiento de una bomba de calor. Es necesario hacer clic en los símbolos de frío y calor para activar la animación. Sólo visible en ordenador de sobremesa.

Para facilitar el proceso de evaporación y condensación, se utilizan corrientes de aire mediante ventiladores, que son los que realmente aceleran la evaporación aportando el caudal de aire necesario. De igual forma, se incluye un ventilador en el condensador para liberar el calor.

Como resumen, por las tuberías en circuito cerrado discurre un REFRIGERANTE, que absorbe calor en el EVAPORADOR (zona fría) y cede calor en el CONDENSADOR (zona caliente)

Si se quiere profundizar más y comprenderlo de forma más visual, se muestra a continuación un vídeo muy interesante, donde se explican claramente todos estos conceptos.

¿Cuáles son los sistemas de bomba de calor?

Según lo visto anteriormente, podemos proporcionar aire frío a una dependencia de un edificio, donde se sitúe la unidad evaporadora. La bomba de calor, puede revertir el ciclo refrigerante, con lo que en invierno se aporta calor (el equipo interior actuaría de unidad condensadora y el exterior de unidad evaporadora) y en verano aportaría frío (el equipo interior actuaría de unidad evaporadora y el exterior de unidad condensadora). La/s unidad/es exterior/es incorporan el compresor.

Por lo tanto, «jugando» con el concepto de unidad evaporadora y condensadora, se pueden configurar diferentes sistemas de bombas de calor:

  • Equipo Compacto: los antiguos modelos que se instalaban en las ventanas
  • Equipo Split: una unidad exterior y una interior (denominado partido)
  • Equipos MultiSplit: una o varias unidades exteriores y varias unidades interiores. 

A la totalidad de estos sistemas se les denomina habitualmente sistemas de expansión directa unizona o multizona.

En esta infografía con instalaciones domésticas, se comprende de forma visual. Para activar la animación haz clic en donde pone «pulsa»

Existen multitud de modelos de unidades interiores y exteriores, para sistemas domésticos, residenciales, o edificios terciarios. Podemos hablar de unidades tipo «casette», unidades de conductos, unidades decorativas, etc; por lo tanto, existe una gran variedad de productos, para poder climatizar desde una vivienda, hasta un hospital.

Se recomienda visitar las web de los fabricantes, y revisar los catálogos; en ellos se descubren multitud de caractesticas técnicas y usos de los equipos.

¿Qué es el sistema inverter en una bomba de calor?

Como hemos visto, para aumentar la temperatura y presión del gas refrigerante, es necesaria la existencia de un compresor. Este elemento tan importante, es el principal consumidor de energía eléctrica de un sistema de bomba de calor aire-aire. ¿Y qué pensaron los fabricantes para reducir el consumo energético de estos equipos?. Pues actuar sobre el funcionamiento del compresor.

En los sistemas de aire acondicionado convencionales, el control de la temperatura ambiente se realiza con un termostato que actúa parando y arrancando los equipos, y consecuentemente el compresor, con lo que los picos de consumo eléctrico son muy elevados. Se denomina sistemas todo-nada.

El sistema inverter, actúa sobre el compresor variando su velocidad, adecuándose a las necesidades térmicas demandadas, por lo que, mediante un variador de frecuencia, evitamos los continuos arranques y paradas. Se denominan sistemas proporcionales.

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Las dos ventajas principales de un sistema inverter son:

1. Confort

  • Se alcanza mucho más rápido la temperatura de consigna que en un sistema convencional
  • Mantiene la temperatura deseada con menor gasto y mínimos excesos de frío o calor
  • Menores niveles de ruido

En la gráfica que mostramos a continuación, se muestran las grandes oscilaciones de temperatura que se originan en un sistema convencional (velocidad fija), mientras que en los sistemas inverter se observa que  las oscilaciones son muy pequeñas (+1/-1ºC aproximadamente).

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2. Ahorro Energético

  • Evitamos las arrancadas constantes del compresor y optimizamos la producción de energía
  • Menor mantenimiento debido a la reducción del desgaste mecánico del compresor

¿Qué es un sistema VRV / VRF en una bomba de Calor?

Las iniciales VRV significan «Volumen de Refrigerante Variable», aunque el término preciso sería «caudal de refrigerante variable». A diferencia de la bomba de calor convencional, este sistema tiene la capacidad de variar el caudal de refrigerante aportado a las baterías de evaporación-condensación, controlando más eficazmente las condiciones de temperatura de los locales a climatizar. Esto ya se ha comentado antes ¿no?. Claro. Todos los sistemas denominados INVERTER son sistemas VRV / VRF, aunque publicitariamente, para el mercado doméstico y residencial se utilice el primer término.

Por lo tanto, cuando nos hablen de un sistema VRV / VRF, pensaremos en un edificio terciario con numerosas unidades exteriores e interiores. Cada unidad interior, trabajará de forma independiente de las demás, solicitando la cantidad de refrigerante que necesite. Una válvula de expansión electrónica, dejará pasar la cantidad necesaria de fluido refrigerante.

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De cada unidad exterior, «colgarán» un número determinado de unidades interiores, teniendo en cuenta las limitaciones del fabricante en cuanto a las potencias térmicas y distancias de tuberías, entre otras variables.

¿Qué es un sistema VRV / VRF con recuperación de calor?

Como ya se ha visto anteriormente, la evaporación del fluido refrigerante para enfriar un local implica la condensación del mismo y la cesión de calor al ambiente exterior. Este calor de condensación, se suele desperdiciar hacia el exterior en sistemas aire-aire. Los sistemas con recuperación de calor permiten aprovechar ese calor hacia otro local donde se precise calefacción.

Imaginemos un edificio con fachada acristalada orientada al sur y otra orientada al norte. Supongamos  un día en que la temperatura exterior es baja, pero que a partir del mediodía sobre la fachada sur incide el sol de manera directa. Quizás, las dependencias de la fachada norte demanden calor, y las dependencias de la fachada sur (por la indicencia del sol y una ocupación elevada) demanden frío. Hasta hace pocos años, con un sistema VRV / VRF convencional, sólo tendríamos la posibilidad de aportar calor o frío.

Los sistemas VRV / VRF con recuperación de calor, nos permiten aportar calor y frío simultáneamente, «transportando» el refrigerante en estado gaseoso proveniente de las unidades evaporadoras hacia las unidades de calefacción, produciéndose allí la condensación del gas. Seguidamente el líquido condensado retornará a las unidades evaporadoras.

Esta distribución inteligente del fluido refrigerante se realiza a través de un sofisticado sistema de control electrónico.

Por lo tanto, un sistema VRV / VRF con recuperación de calor tiene las ventajas de un sistema VRV / VRF con el añadido de que el calor, se puede transportar de una sala a otra sin desperdiciarlo.

¿Qué es el COP y el EER en una bomba de calor?

El COP y el EER de una bomba de calor, nos van a indicar las eficacias de los equipos trabajando en calor o en frío respectivamente.

COP-Y-EER

Las energías puestas en juego son la potencia eléctrica que consume el compresor (W), la potencia calorífica que cede el condensador (Qc) y la potencia calorífica que absorbe el evaporador (Qf). El principio de conservación de la energía exige que:

Formula-1

Si consideramos que el objetivo es proporcionar calor, la energía útil de la bomba de calor es Qc. La energía que emplearemos para producir Qc es W. Así la eficacia en calor de esta máquina sería:

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Hemos llamado COP a la eficacia de la bomba de calor. Las siglas COP, son las iniciales en inglés «Coeficient of Performance», que puede traducirse por coeficiente de funcionamiento

Imaginemos que el COP de una bomba de calor sea de 3,5. Esto quiere decir, que cada kWh eléctrico se transforma en 3,5 kWh de calor. Una estufa eléctrica, por ejemplo, transforma 1 kWh eléctrico en 1 kWh de calor. Por lo tanto la eficacia de las bombas de calor es muy elevada.

De igual forma, si consideramos que el objetivo es proporcionar frío, el efecto útil es el calor extraído del foco frío

EER

Aunque en la expresión, aparece como COP, en realidad se denomina EER (Energy Efficiency Ratio), y siempre es menor al COP en calor.

Antiguamente, estos dos valores indicaban la eficiencia o rendimiento instantáneo de una bomba de calor. Actualmente, y desde Enero del 2013, se han introducido dos nuevos conceptos para definir la eficiencia de una bomba de calor.  Son los llamados coeficientes de eficiencia energética estacionales en calor y en frío SCOP y SEER. Sin complicarnos mucho la vida, estos valores aportados por el fabricante, nos indica la eficiencia de una bomba de calor durante la temporada, ya sea verano o invierno.

En la siguiente tabla, se indican los rangos de valores del SEER y SCOP en función de la clase energética del equipo. Observamos los altos valores de eficiencia requeridos para equipos A+++, A++ y A+, e incluso para las calificaciones energéticas más bajas, difiriendo considerablemente de las clasificaciones antiguas.

Clasificacion energetica aire acondicionado bombas de calor

Por último, indicamos que, desde el 1 de Enero del 2013, es obligatorio el etiquetado de los equipos de bomba de calor de hasta 12 kW. La etiqueta aporta información al consumidor de la calificación energética del equipo, tanto en frío como en calor (esta última en función de la zona climática), consumo anual de energía, carga de diseño, y niveles de potencia acústica de unidad interior y exterior. A continuación se muestra el modelo de etiqueta:
 

Modelo de etiqueta de bomba de calor de aire acondicionado

¿Cuál sería la conclusión?

Actualmente, como se ha visto, disponemos de unos sistemas de climatización Inverter y VRV muy avanzados, en los que la electrónica ha hecho de estos equipos unos sistemas muy eficientes y con enormes ventajas, incluso con la posibilidad de la recuperación de calor, lo que los hace muy competitivos desde el punto de vista del ahorro y la eficiencia energética. Por ello, son sistemas a tener muy en cuenta a la hora de climatizar cualquier tipo de edificio.

Autor

Ingeniero. Propietario y creador de esta web. Propietario y administrador del grupo profesional en Linkedin + importante sobre Instalaciones y Eficiencia Energética

26 Comentarios

  1. ¡Buenas noches!.Me gustaría dar un enorme aprobado por interesante información que tenemos aquí en este blog . Voy a volver muy pronto a leeros con esta web.

  2. O me he perdido en algún sitio, o no entiendo que los valores de SEER sean más altos que los SCOP para todos los sistemas de eficiencia que has puesto en la última tabla. ¿No hay algún error o están cambiadas las columnas, por un casual?

    • Hola. LA tabla está bien. Son los rangos fijados para las calificaciones energéticas de los aparatos domésticos de aire acondicionado. Los valores de SEER, son mayores debido a los ensayos exigidos por la normativa Europea correspondiente que tiene en cuenta cargas parciales a temperaturas exteriores distintas a las que se fijaban para obtener los antiguos valores a cargas del 100% para el EER y COP. En concreto para el EER se fijaba una temperatura exterior de ensayo de 35ºC y 100 % de carga. Para el COP la temperatura exterior era de 7ºC. Ahora estos valores han cambiado siendo de 2ºC para el SCOP y de 30ºC para el SEER. Lógicamente a cargas parciales los valores del rendimiento estacional en frío, serán mucho más altos, al tener en cuenta una temperatura exterior más baja en condiciones de verano.

  3. ¿Muy interesante el artículo, sol una aclaración, Todos los sistemas VRV son Inverter? NO. ahi discrepo. un sistema inverter es aquel que controla la potencia del compresor mediante un variador. para desplazar un volumen de refrigerante preciso en un sistema VRV no hace falta un compresor inverter, fabricantes como Samsung, y hasta daikin tienen compresores estandar en sus sistemas y controlan con ello caudal o el volumen de refrigerante. No quiero liarme más, gracias por tus publicaciones.

    • Buenas noches, ¿que es un compresor inverter? pues es un compresor con un variador de frecuencia el cual dependiendo de las variables temperatura, presión, consumo, etc. varían la frecuencia de giro del compresor. ¿Que hay fabricantes con compresores todo-nada en sus sistemas de caudal variable? bueno, los había, los principales han dejado de incorporar compresores todo-nada por la falta de precisión en el funcionamiento en temporadas intermedias donde el compresor fijo se pasaban el tiempo encendiendo y apagando, además esos sistemas, siempre, incorporaban un compresor inverter, espero os sirva la aclaración.

  4. Javier Conde Sánchez Contestar

    Me sumo a los comentarios anteriores:Explicación técnica y didáctica perfecta, que facilitan su comprensión.Enhorabuena y gracias por el esfuerzo.
    Otro comentario: Pienso que para la mejor selección de un equipo para definir los parámetros de diseño una instalación debe partirse de un estudio ambiental de la zona, para fundamentar mejor los resultados esperados.

    Saludos

  5. Perfecta explicación, muy didáctica, lo puede entender un arquitecto, propiedades, etc.
    Paulino, tienes algún Excel donde compares un sistema vrf contra 1×1?
    Gracias.

    • Hola José María.
      Gracias por el comentario. No entiendo muy bien lo que indicas sobre la comparación entre un sistema vrf contra 1×1. Quzás te refieras a las siglas VRF, que básicamente es otra forma de denominar los sistemas VRV por los fabricantes que no tienen patentada esa denominación.

      Saludos.

  6. Miguel Cuetara Contestar

    Una manera muy didactica de explicar el funcionamiento de la bomba de calor. Felicidades por tu vuestro trabajo.

  7. Una pregunta corta, pero que haría falta un libro para responder.
    Cada zona del territorioespañol, da para hacer cálculos sobre el rendimiento.Incluso con una diferencia de 50 km, equipos idénticos,darían resultados diferentes.Se pueden establecer unos parámetros generales orientativos, pero es el caso de que en una multiplicación el multiplicador sea variable,NUNCA, nos daría el mismo resultado.Lo que si se puede hacer, es, trabajando sobre un sistema único, sacar unos promedios anuales, pero aún así, cada año será diferente.Solo hay un único caso que nos dará siempre (aunque tampoco) el mismo resultado.El de condensación por agua, pero este agua debe provenir de una planta enfriadora, garantizando una temperatura constante.
    El resto solo son especulaciones.
    He visto en sistemas ,caer el rendimiento, a menos del 70%, por una temperatura baja del aire y una humedad del 100% proveniente de un viento marino,poco común.

  8. Posiblemente sea tonto lo que digo, pero podríamos afirmar que el rendimiento del sistema Inverter es mejor en producción de calor que en frio, es asi?

  9. Paulino, es que ya aburres de hacer las cosas tan bien!!!!!!!!jejejeee
    Diego, piensa que cada vez que tenemos un equipo bajo nuestra supervisión, además de encargados o jefes de equipo, somos formadores (por supuesto, los que tenemos voluntad y compromiso) y como ya le comenté a Paulino, sus artículos son magníficos para tal cometido.
    Por otro lado, es un placer ver como funciona un equipo VRV, cuando tiene una red grande de distribución (con controles individualizados) o trabajan en bateria.
    Es que creo que no hay nada tan vivo como un sistema hermético, del cual jamás acabas de saber lo suficiente.
    Saludos a todos.

  10. Una explicacion cristalina, Paulino. Perfecta para una sesión de iniciación. Podrias plantearte reciclarte como formador. Gracias por el artículo.

  11. Cristalino, paulino. Muy didáctico. Perfecto para una primera toma de contacto formativa. Podrias plantearte reciclarte en la formacion. Gracias por el artículo.

  12. Hola Paulinto

    Te felicito por la claridad de tu blog en la difusión de la eficiencia en la climatización. Como sugerencia para la continuación de este post, podrías hablar de la eficiencia estacional de los equipos, especialmente importante en climas suaves, donde los valores nominales del COP y EER (los más desfavorables) se dan muy pocas horas al año.

    Saludos

  13. Hola Paulino, gracias por compartir tus conocimientos, enhorabuena por el blog, lo explicas muy bien.
    Me queda una duda en este post. ¿Los sistemas VRV tiene un variador de frecuencia en la bomba?
    Gracias.
    Carmen

    • Hola Carmen. Lo indico en el artículo. Todos los sistemas inverter y vrv, para manejar caudales variables de refrigerante lo realizan a través de variadores que actúan sobre el motor del compresor.

      Saludos.

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