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Bomba de calor parte 1 - Monografía



 
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Termodinámica. Funcionamiento. Focos. Componentes. Refrigerantes. Coeficientes de prestación. Rendimiento



Introducción



¿ Qué es lo que entendemos por una bomba de calor?



Denominamos BOMBA DE CALOR a una máquina térmica capaz de transferir calor de una fuente fría a otra más caliente. Podriamos definirlo como un equipo de aire acondicionado, que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del local que se ha de calentar; todo este proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un compresor.
Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energía, que es lo mismo que decir, ahorro de dinero. Sirva como ejemplo: por 1 KW de consumo de la red eléctrica, da 3KW de rendimiento en calor; lo cual equivale a decir que consumiendo la misma energía eléctrica, la Bomba de Calor suministra 3 veces más calor que un aparato de calefacción eléctrica.
Resumiendo, la Bomba de Calor tanto en invierno como en verano; actúa como un equipo acondicionador de aire para darnos nuestro hogar.

¿ Cómo funciona una bomba de calor?



El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de hacerlo en dirección contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las Bombas de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calentar o bien para emplearlo en procesos que precisan calor. Es posible también aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.

Las Bombas de Calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior.
En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cuando se necesita calentar algo.

Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere aportar un trabajo. Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es el extraído de la fuente de calor más el trabajo externo aportado.

El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor provienen del establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evoluciona en ciclos, es comprimido y luego expansionado y del que se obtiene frio y calor.

El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y calor simultáneamente no se aprovecharon.

Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la construcción de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que hacía que ésta no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefacción a base de carbón, fuel-oil o gas, que presentaban una clara ventaja en relación con sus costes. Pero la crisis del petróleo y la subida de los precios de los combustibles a partir de 1973, benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.

En el momento actual la utilización de Bombas de Calor supone un ahorro energetico y que se reduzcan las emisiones de CO2. Las Bombas de Calor consumen menos energía primaria que cualquier otro sistema pero hay que tener en cuenta como se genera la energia electrica que consumen las bombas de calor para saber si de verdad no contaminan.
Si la energía eléctrica proviene de fuentes como la hidroeléctrica ó eólica, entonces la contaminacion es nula, pero si son de otras como las térmicas es evidente que existe esa contaminación, que de todas maneras es mucho menor que otros aparatos.

Clasificación de las bombas de calor



Las bombas de calor se pueden clasificar de distintas maneras:

- Según el Tipo de Proceso:



-Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un motor
eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.
-Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de absorción), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas elevadas.
-Bombas de Calor electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.

- Según el medio de origen y destino de la energía



Esta clasificación es la más utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). Este cuadro en un principio puede parecer un poco complicado pero lo explico más abajo.
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- Las bombas de calor aire-aire:

son las que más se usan, sobre todo en climatización.

- Bombas de calor aire-agua:

se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.

- Bombas de calor agua-aire:

Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior.

- Bombas de calor agua-agua:

son bastante parecidas a las anteriores.

- Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua:

Aprovechan el calor contenido en el terreno. Son instalaciones muy raras, por su coste y la gran superficie de terreno requerido

- Según construcción



- Compacta:

Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se encuentran alojados dentro de una misma carcasa.

- Split o partidas:

Están constituidas por dos unidades separadas. Una exterior donde se aloja el compresor y la válvula de expansión y una unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local.

- Multi-split:

Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades interiores.

- Según funcionamiento



-Reversibles:

Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido.

-No reversibles:

Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.

-Termofrigobombas:

Producen simultáneamente frío y calor.

Funcionamiento de una bomba de calor



- Bomba de Calor de Compresión Mecánica


La mayor parte de las Bombas de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresión de un fluido condensable.

Sus principales componentes son:



- Compresor
- Válvula de expansión
- Condensador
- Evaporador

Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido refrigerante.

BOMBA DE CALOR DE COMPRESIÓN MECÁNICA ACCIONADA POR MOTOR ELÉCTRICO



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 Etapas del ciclo



1. En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el
calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de éste.

2. En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando su presión y temperatura.

3. El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede el calor de condensación al medio.

4. Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y
temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el ciclo accediendo al evaporador.

El compresor puede ser accionado por un motor eléctrico o por un motor térmico.

- Bombas de calor eléctricas:

En este tipo de bombas el compresor es accionado por un motor eléctrico. ( como la imagen del dibujo anterior)

- Bomba de calor con motor térmico:

El compresor es accionado mediante un motor de combustión, alimentado con gas o con un combustible líquido. Las más extendidas son las Bombas de Calor con motor de gas. (como el dibujo siguiente)


BOMBA DE CALOR CON MOTOR DE GAS



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Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar calefacción y refrigeración. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación del fluído frigorífico. De esta forma se consigue:
Que se bombee calor del exterior hacia el interior en el ciclo de calefacción.
Que se bombee calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración.

En el siguiente diubjo se esquematizan los ciclos de calefacción y refrigeración.
El funcionamiento de una Bomba de Calor reversible es el siguiente:


Ciclo de calefacción:



- El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico. (1)
- En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calentar, el fluido cede al aire del recinto el calor de su condensación. (2)
- El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y temperatura, evaporándose en parte. (3)
- En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa su evaporación absorbiendo calor del aire exterior, retornando al compresor (1) a través de una válvula de cuatro vías. (5)


CICLOS DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN



Ciclo de refrigeración:



- El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico (1) siguiendo su camino a través de la válvula de 4 vías (5).
- En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo su calor al medio exterior. (4)
- El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de expansión reduciendo su presión y evaporándose en parte. (3)
- En el intercambiador (2), situado en el interior del recinto a refrigerar, el fluido frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio interior.

- Bomba de Calor de Absorcion



Las Bombas de Calor de absorción son accionadas térmicamente, esto quiere decir que la energía aportada al ciclo es térmica en vez de mecánica como en el caso del ciclo de compresión. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertas sales y líquidos de absorber fluido refrigerante. Las parejas de fluidos más utilizadas actualmente son: agua como fluido refrigerante en combinación con bromuro de litio como absorbente, o bien el amoníaco como refrigerante utilizando agua como absorbente.

BOMBA DE CALOR DE ABSORCIÓN



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Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma función que éste, es decir, eleva la presión y temperatura del fluído frigorífico enestado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en el dibujo, consiste en un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión.

Se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el bsorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura, y en la bomba energía mecánica.

Focos de la bomba de calor



La Bomba de Calor extrae energía de un medio. Mediante el trabajo externo aportado, esta energía es cedida a otro. El medio del que se extrae la energía se llama foco frío y el medio al que se cede se llama foco caliente.

En el esquema de la página siguiente se presentan algunos focos entre los que se puede bombear calor

Focos Fríos



Un foco frío ideal es aquel que tiene una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación en que es necesario calentar, está disponible en abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinámicas favorables, y no requiere costes elevados de inversión o mantenimiento.

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Aire atmosférico.



Su utilización presenta problemas de formación de escarcha. Este problema se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto adicional de energía. Para temperaturas por encima de 5ºC no es necesario el desescarche.

Aire de extracción.



Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales. La Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción. Existen sistemas diseñados para trabajar con una combinación de aire natural y de aire de extracción.


Aguas naturales



Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas o del mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos en el exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC. Cuando se utiliza agua del mar hay que prever problemas de corrosión y de proliferación de algas.

Energía solar


Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, encombinación con la Bomba de Calor.

Energía geotérmica del suelo y subsuelo



Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire exterior. Para aprovechar la energía del suelo es necesario un sistema de tuberías. Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una gran superficie de terreno.

Energías residuales y procedentes de procesos



Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc. Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del año. Los principales problemas para su utilización son la corrosión y obstrucción del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas.

Focos calientes



Aire



El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la habitación o es forzado a través de un sistema de conductos.

Agua



Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente sanitaria y procesos industriales. A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores especialmente diseñados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils.


¿Cuáles son los componentes de la bomba de calor?



“Compresor



Eleva la presión del vapor refrigerante desde una presión de entrada a una presión de salida más alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos, y compresores centrífugos.
En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser:

- Abiertos:

El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el  montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje.

- Semiherméticos:

El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el rendimiento es superior al de los abiertos.

- Herméticos:

El motor y el compresor, además de compartir el eje, se alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperación del calor generada en el motor es mayor.

En las Bombas de Calor eléctricas se utilizan compresores herméticos para potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente Bombas de Calor aire-agua) se utilizan compresores semiherméticos.

Unicamente se utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie.

En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagnético que permite la regulación de la potencia en función de la demanda térmica.
Las bombas de calor de gas suelen disponer de un motor de cuatro tiempos con un compresor alternativo abierto.

Alternativos



Los alternativos húmedos están compuestos por un número variable de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido. Los cilindros se suelen disponer en posición radial. El fluido entra y sale de ellos por válvulas accionadas por la presión diferencial entre ellos. Disponen de un sistema de lubricación mediante aceite a presión.

Este circuito de aceite actúa también como refrigerante. La refrigeración mediante aceite presenta problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior del cilindro.

Los alternativos secos consiguen presiones de salida más elevadas que en los anteriores, ya que la compresión tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor generado en la compresión mediante circuitos de agua en las etapas entre compresiones.

La estanqueidad entre cilindro y pistón se logra mediante segmentos muy resistentes que no requieren refrigeración, a base de materiales como el politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un costo más elevado y desarrollan mayores potencias.

COMPRESOR ALTERNATIVO



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Rotativos



El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y otro hembra que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el espacio entre ellos primero aumenta, generando una depresión mediante la que se aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no existir contacto entre los rótores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo sí es necesaria una refrigeración auxiliar.

En el caso del compresor de tornillo húmedo se inyecta aceite a presión entre los rótores para conseguir lubricación y refrigeración. Los compresores de tornillo se utilizan en generación de potencias térmicas muy elevadas a partir de 500 kW y suelen ser semiherméticos.


COMPRESOR ROTATIVO



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Espiral o scroll



Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias térmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se comprime por la variación del volumen causada por na espiral giratoria. Son herméticos y permiten la aspiración y descarga simultánea del refrigerante sin necesidad de una válvula. La reducción de partes móviles mejora el desgaste y en consecuencia la duración de estos equipos.

COMPRESOR DE ESPIRAL O SCROLL


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Swing



Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia térmica (hasta 6 kW). Son rotativos herméticos y consiguen la variación del volumen mediante un pistón rodante.

Centrífugos



Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de presión y se destinan a equipos de gran potencia.

Condensador



Se pueden clasificar en:

-Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire



Estos condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisión de calor. Adicionalmente estas baterías disponen de ventiladores que inducen la circulación del aire a calentar entre las aletas del condensador.

Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua



Pueden ser:

-Cambiadores de doble tubo en contracorriente:



El fluido refrigerante circula porel espacio entre tubos donde se condensa, mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado para la fabricación de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de potencia térmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por la dificultad de la limpieza.

-Multitubulares horizontales:



El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa suele ser de acero con tapas de fundición. Debido a las características del agua puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de aleación de níquel.

Evaporador



-Según el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador estos se clasifican en:

De expansión seca:



El vapor que se introduce en el compresor está ligeramente sobrecalentado y hay ausencia total de líquido. Estos evaporadores se emplean con compresores centrífugos donde dada la elevada velocidad, la presencia de gotas de líquido dañaría los álabes.

Inundados:



El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puedeincluso contener gotas de líquido.

-Según el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser:

Evaporadores de aire:


Las baterías evaporadoras son similares a las condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos ventiladores pueden ser axiales o centrífugos. Los centrífugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de rocío del aire se produce el fenómeno de la condensación y si se reduce aún más la temperatura el escarchado. El escarchado incide negativamente en los rendimientos por dos motivos: pérdida en la superficie de intercambio, y pérdida de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos. Por esta razón las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo.

VENTILADOR AXIAL Y VENTILADOR CENTRIFUGO



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Evaporadores de agua:



Pueden ser coaxiales en contracorriente o bien multitubulares.


Dispositivos de expansión



Son los dispositivos mediante los que se realiza la reducción de presión isoentálpica ( es decir con variacion de entalpía igual a 0) desde la presión de condensación hasta la de evaporación.

Los elementos utilizados son:

-Tubo capilar para máquinas de potencia reducida y constante.

-Válvula de expansión:

Las válvulas de expansión tienen una sección variable. Esta sección puede ser variada automáticamente de forma que el sobrecalentamiento tras la evaporación se mantenga constante y no accedan gotas de líquido al compresor. En este caso la válvula recibe el nombre de termostática.

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VÁLVULA EXPANSIÓN



Dispositivos de seguridad y control



Los dispositivos de seguridad y control paran el compresor en aquellos casos en que se esté trabajando fuera de las condiciones permitidas. Estos elementos de control son:

-Presostato de alta presión:

Detiene el compresor cuando se alcanza una presión de condensación elevada.

-Presostato de baja presión.

Detiene el funcionamiento del compresor cuando la presión de aspiración es demasiado baja.

-Presostato de aceite.

Detiene el compresor cuando baja la presión del aceite del circuito de refrigeración y lubricación de aceite.

-Termostato de descarga.

Desactiva el compresor cuando la temperatura dedescarga es demasiado elevada.

Dispositivos auxiliares



Válvulas de 4 vías:



Invierten el ciclo. Son utilizadas en Bombas de Calor reversibles, y en funcionamiento para desescarche.

Válvulas solenoides:



Cuando el compresor se detiene, impiden el paso del fluido al evaporador evitando que se inunde.

Depósito



A la salida del condensador y antes de la válvula de expansión se sitúa un depósito (acumulador) donde queda el excedente de fluido refrigerante. Antes del acumulador se dispone un filtro con el que se limpia el refrigerante de impurezas de tal manera que no dañe el compresor.

Refrigerantes de la bomba de calor.



Los fluidos refrigerantes deben tener ciertas propiedades termodinámicas de tal manera que condensen y evaporen a las temperaturas adecuadas, para lograr su objetivo. Un fluido puede evaporar a mayor temperatura cuando se eleva su presión, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presión y los evaporadores y condensadores no deben trabajar a sobrepresiones ni depresiones elevadas respectivamente.
Por otra parte, los fluidos refrigerantes no deben ser tóxicos, ni inflamables, ni reaccionar con los materiales que constituyen la máquina.
Los fluidos halogenados presentan las mejores propiedades ya que trabajan en las temperaturas y presiones adecuadas para esta aplicación y no son tóxicos ni inflamables. No obstante, pueden contribuir a la destrucción de la capa de ozono. Si al final de su vida útil se liberan en el ambiente, la incidencia de rayos ultravioleta sobre estas sustancias hace que se fotodisocien quedando libres radicales de cloro, que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyéndolo. Por estas razones, la utilización de estos refrigerantes está restringida por ley.
Actualmente el fluido con el que funcionan la práctica totalidad de las Bombas de Calor en España es el R-22, (HCFC-22) cuya fórmula química es CHClF2. El R-22 únicamente tiene un átomo de cloro y por tanto resulta menos perjudicial para la capa de ozono que los CFC´s.
No obstante, y en virtud del reglamento de la Unión Europea 3093/94, se ha establecido un programa de reducción progresiva de utilización de los HCFC´s, de forma que la producción de R-22 finalizará en el año 2014.
En cuanto a las temperaturas y presiones de funcionamiento en la aplicación de Bomba de Calor del R-22 estas suelen ser:

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Coeficientes de prestación de la bomba de calor.



Se define el coeficiente de prestación de una Bomba de Calor COP (Coefficient of perfomance) como el cociente entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida.

COP teórico



En un ciclo ideal de Carnot:
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Siendo

-T1: Temperatura absoluta del foco caliente
-T2: Temperatura absoluta del foco frío

COP práctico



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- Alpha

es un coeficiente de rendimiento que tiene en cuenta que el ciclo real no se desarrolla en condiciones perfectas de isoentropicidad, (los procesos son irreversibles y no perfectamente adiabáticos). Este coeficiente oscila entre 0,3, en máquinas pequeñas, hasta 0,65 en las de gran potencia.

- Tf2 y Tf1

son respectivamente las temperaturas absolutas de evaporación y condensación del fluido refrigerante.
Para que la transmisión de calor entre el fluido refrigerante y un foco frío tenga lugar, es necesario que Tf2 sea inferior a T2. De la misma manera, para que el fluido refrigerante ceda calor al foco caliente, Tf1 debe ser superior a la temperatura del foco caliente T1
El COP práctico depende del coeficiente de rendimiento a y de las temperaturas del foco frío y caliente. En la figura siguiente se representa esta dependencia.

PER



Se le denomina REP (Rendimiento de Energía Primaria) o PER (Primary Energy Ratio) en terminología anglosajona.
Este coeficiente, justifica la utilización de la Bomba de Calor frente a otras alternativas tradicionales.

COP PRÁCTICO DE UNA BOMBA DE CALOR.


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El PER se define como la relación entre la energía térmica y la energía primaria consumida en el proceso.
En la tabla siguiente se muestran los valores habituales del COP y PER de distintas Bombas de Calor trabajando entre 0º y 50º C.

COP medio estacional



Las condiciones del foco caliente y del frío van variando a lo largo del año, y en consecuencia las temperaturas a las que debe trabajar el fluido también deben variar. Por esta razón es posible que haya que aportar al sistema energías adicionales a la del compresor en los momentos más desfavorables. A la hora de estudiar la viabilidad e interés de una Bomba de Calor en una determinada aplicación es necesario determinar el valor de este coeficiente.
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Siendo:

Q1 :

Calor total cedido para la calefacción en el periodo considerado en valor absoluto.

W :

Trabajo realizado por el compresor sobre el fluido en el periodo considerado en valor absoluto.

W´ :

Resto de energías consumidas en el periodo considerado: pérdidas en el motor eléctrico, aportaciones externas de calor, etc..
Al coeficiente de prestación estacional también se le denomina SPF (Seasonal Perfomance Factor) en terminología anglosajona. Es con este factor con el que se deben de comparar los gastos de funcionamiento de las diferentes alternativas de calefacción.

Aplicaciones de la bomba de calor en diversos sectores.



“Sector residencial:

- Climatización de viviendas.



Las Bombas de Calor utilizadas en estas aplicaciones son:

-Bombas de calor aire-aire:



Es la aplicación más habitual. Se suelen utilizar unidades de baja potencia, que se destinan a la calefacción y refrigeración de viviendas. El equipo está en contacto con el exterior del edificio, de donde extrae el calor y también con el aire interior de la vivienda, a la que cede el calor. Este será distribuido mediante un red de conductos por todas las habitaciones.
Si la unidad es compacta, el equipo integra todos los componentes en una sola unidad. La batería exterior irá en contacto con el ambiente exterior y la unidad interior estará conectada a la red de conductos, que distribuyen el aire por el interior de la vivienda.
Si se utiliza un equipo partido, ambas unidades, la interior y la exterior irán conectadas mediante tuberías aisladas, por las que circulará el refrigerante. La unidad exterior irá colocada en el exterior de la vivienda, por ejemplo en la terraza, jardín, etc. La unidad o unidades interiores pueden ser vistas o bien ir situadas en el falso techo.

- Bombas de calor aire-agua:

En este caso, la Bomba de Calor extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un circuito de agua a baja temperatura.

- Bombas de calor agua-agua:

Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada. Como en el caso anterior la distribución se hace mediante sistemas a baja temperatura.

- Bombas de calor agua-aire:

Requieren también la disponibilidad de una fuente de calor, agua subterránea, superficial, etc. La distribución se calor se realiza mediante una red de conductos a todas las dependencias de la vivienda.

- Bombas de calor tierra-agua:

Aprovechan la energía solar acumulada en el terreno como fuente de calor. Este calor es extraído por la Bomba de Calor a través de un circuito de agua con glicol, enterrado. La complejidad de la instalación y la necesidad de disponer de una superficie de terreno grande, hacen que la inversión sea elevada, por lo que esta aplicación es más propia de zonas con temperaturas exteriores rigurosas, donde los equipos condensados por aire no son adecuados.

La utilización de la Bomba de Calor para proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria en viviendas, es una aplicación ampliamente difundida en España. La casi totalidad de los equipos existentes en el mercado son reversibles, pudiendo trabajar en dos ciclos: de invierno, proporcionando calefacción y de verano proporcionando refrigeración. Por esta razón las Bombas de Calor están especialmente indicadas para situaciones en las que se prevea demanda de calefacción y refrigeración, ya que con un incremento en el precio del equipo, se pueden cubrir ambas necesidades con el mismo equipo. La gama de potencias comercializada es lo suficientemente amplia como para cubrir las necesidades de cualquier vivienda. En la figura se representa el funcionamiento de ambos ciclos en una Bomba de Calor aire-aire.

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