Resumen: Bomba de calor: control y rendimiento

📋 Esquema del Curso

1. Principios de la bomba de calor
2. Ciclo frigorífico y refrigerante
3. Transferencia en calefacción y refrigeración
4. Tipologías y configuraciones
5. Temperaturas y rendimiento
6. Componentes frigoríficos y regulación
7. Components hidràulics associats
8. Potència, rendiment i dades tècniques
9. Visió global de la bomba de calor

📖 1. Principios de la bomba de calor

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Bomba de calor: Máquina térmica que utiliza energía para transferir calor desde un foco a una temperatura determinada hacia otro foco a una temperatura superior.

★ Imprescindible

📐 Fórmula - El balance térmico de una bomba de calor en calefacción es $Q_{útil} = Q_{font} + W_{el}$, donde el calor útil combina la energía extraída de la fuente y el trabajo aportado al compresor y los auxiliares.

📌 La aerotermia es el aprovechamiento de la energía térmica del aire ambiente, mientras que la bomba de calor es la máquina que permite aprovecharla.

Complementos

• Una bomba de calor aire-agua utiliza aire exterior como fuente y agua como receptor, y puede aplicarse a calefacción, refrigeración o ACS según la configuración.

• Una bomba de calor aire-aire utiliza aire exterior como fuente y aire interior como receptor, principalmente para climatizar espacios.

• La bomba de calor puede extraer energía térmica del aire exterior incluso por debajo de 0 °C.

💡 Truco mnemotécnico

La calefacción resistiva transforma electricidad en calor; la bomba de calor transporta calor ambiental.

📖 2. Ciclo frigorífico y refrigerante

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Refrigerante: Fluido que transporta energía térmica dentro del circuito frigorífico y cambia de estado al absorber o ceder energía.

★ Imprescindible

• En el ciclo frigorífico de compresión de vapor, el refrigerante evapora y absorbe calor en el evaporador, se comprime aumentando presión y temperatura, condensa cediendo calor en el condensador y se expande reduciendo presión y temperatura antes de volver al evaporador.

• En el evaporador, el refrigerante entra a baja presión y baja temperatura como líquido o mezcla líquido-vapor, absorbe calor de la fuente y pasa a vapor.

• El compresor aspira vapor refrigerante a baja presión y lo comprime; a la salida, el vapor está a alta presión y alta temperatura.

• En el condensador, el refrigerante entra como vapor a alta presión y temperatura, cede calor al receptor y pasa a líquido; durante la condensación su temperatura se mantiene prácticamente constante.

Complementos

📌 La válvula de expansión electrónica (EEV) controla con precisión el caudal y es habitual en aerotermia moderna; la termostática (TXV) regula según el sobrecalentamiento; el capilar es un tubo largo y estrecho utilizado en equipos pequeños.

💡 Truco mnemotécnico

Evaporar → comprimir → condensar → expandir.

📖 3. Transferencia en calefacción y refrigeración

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Válvula de cuatro vías: Dispositivo que invierte el sentido funcional del circuito frigorífico y permite que los intercambiadores intercambien sus funciones de evaporador y condensador.

★ Imprescindible

📐 Fórmula - En calefacción, el balance del ciclo es $Q_{cond} = Q_{evap} + W_{comp}$.

📐 Fórmula - El coeficiente de prestación en calefacción es $COP = \frac{Q_{útil}}{W_{el}} > 1$.

• En calefacción, el refrigerante capta energía del aire exterior en el evaporador y, tras la compresión, cede calor al agua en el condensador; después se expande y vuelve al evaporador.

• En refrigeración, la bomba de calor reversible extrae energía térmica del edificio en el evaporador y la rechaza al exterior en el condensador, invirtiendo el sentido funcional del circuito.

Complementos

• En calefacción, la humedad del aire puede condensarse y congelarse sobre la batería exterior cuando esta está por debajo de 0 °C; el desescarche elimina el hielo, suele invertir temporalmente el ciclo y consume energía mientras reduce temporalmente la capacidad útil.

💡 Truco mnemotécnico

En calefacción, el edificio recibe calor; en refrigeración, lo cede al exterior.

📖 4. Tipologías y configuraciones

★ Imprescindible

📌 Una bomba de calor aire-agua transfiere energía entre aire exterior y agua, permite circuito hidráulico y producción de ACS; una aire-aire transfiere energía entre aire exterior e interior y no requiere necesariamente circuito hidráulico de calefacción.

📌 En un sistema monobloc, el circuito frigorífico está principalmente en la unidad exterior y entre esta y el edificio circula habitualmente agua; en un sistema bibloc, el circuito se reparte entre unidad exterior e interior y entre ambas circula refrigerante.

Complementos

• Las bombas aire-agua pueden alimentar suelo radiante, radiadores, ventiloconvectores y producción de ACS.

• Las configuraciones habituales incluyen:

  • Equipos split
  • Sistemas multisplit
  • Sistemas VRF/VRV

• Deben considerarse:

  • Riesgo de congelación
  • Protección contra heladas
  • Aislamiento
  • Calidad del agua
  • Drenaje

💡 Truco mnemotécnico

Monobloc: agua entre unidad exterior y edificio; bibloc: refrigerante entre unidades.

📖 5. Temperaturas y rendimiento

★ Imprescindible

• A igualdad de temperatura exterior y demás condiciones, al aumentar la temperatura de impulsión aumenta la temperatura de condensación y la relación de compresión, crece el trabajo del compresor y disminuye el rendimiento: $T_{impulsió} \uparrow \Rightarrow COP \downarrow$.

Complementos

• Los rangos orientativos de impulsión son aproximadamente 25–40 °C para baja temperatura, 45–55 °C para media temperatura y 55–65 °C para alta temperatura; los límites dependen del fabricante y la aplicación.

• Las aplicaciones de baja temperatura incluyen suelo radiante y ventiloconvectores; la temperatura de impulsión relativamente baja favorece el funcionamiento eficiente de la bomba de calor.

• La media temperatura puede utilizarse con radiadores dimensionados para temperaturas moderadas, ventiloconvectores y sistemas mixtos como radiadores con suelo radiante.

• La alta temperatura resulta útil en rehabilitación con emisores existentes y en determinadas necesidades de ACS, según el fabricante.

💡 Truco mnemotécnico

Mayor impulsión → mayor compresión → mayor consumo → menor COP.

📖 6. Componentes frigoríficos y regulación

★ Imprescindible

• El compresor aspira vapor a baja presión, lo comprime, eleva su presión y temperatura y lo impulsa hacia el condensador; consume energía eléctrica para aportar trabajo al ciclo.

• Los componentes asociados incluyen:

  • Batería de intercambio
  • Ventilador
  • Sensores
  • Sistema de desescarche

• Las sondas y los sensores miden variables de la instalación para que el controlador ajuste el funcionamiento de los componentes.

• Las variables medidas pueden ser:

  • la temperatura exterior
  • la temperatura de impulsión del agua
  • la temperatura de retorno del agua
  • la temperatura del ACS
  • la temperatura del refrigerante
  • las presiones alta y baja
  • el caudal de agua, según el equipo

• El controlador recibe información de los sensores, decide las actuaciones necesarias y gestiona los componentes según la demanda y las condiciones de funcionamiento.

• Los actuadores ejecutan las órdenes del sistema de control y convierten la señal de control en una acción física sobre la instalación.

• 🔄 La cadena de control sigue este orden: el sensor mide una variable de la instalación, el controlador procesa la información y decide la actuación, el actuador ejecuta la orden sobre la instalación

Complementos

• El scroll es habitual en aerotermia; también existen compresores rotativos, de pistón y otras tecnologías como el tornillo o el scroll con inyección de vapor.

• La regulación inverter adapta la velocidad del compresor a la demanda: reduce la velocidad con demanda baja y la aumenta con demanda alta, evitando ciclos de encendido y parada y mejorando el rendimiento estacional.

• En una bomba aire-agua, el condensador transfiere energía del refrigerante al agua; suele utilizarse un intercambiador compacto de placas brazeadas con canales separados para ambos fluidos.

📌 La válvula de expansión electrónica regula con precisión el caudal mediante un motor paso a paso; la termostática regula según el sobrecalentamiento y la de presión constante mantiene constante la presión de salida.

• El ventilador hace circular aire por el intercambiador exterior; en equipos modernos suele emplear motores EC regulables, y su velocidad influye en capacidad, consumo eléctrico, nivel sonoro e intercambio térmico.

📖 7. Components hidràulics associats

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Bomba circuladora: Proporciona el diferencial de presión necesario para que el agua circule y venza las pérdidas de carga de tuberías, accesorios, válvulas, intercambiadores y emisores.
• Vaso de expansión: El vaso de expansión absorbe la variación de volumen del agua y mantiene la presión del circuito dentro de los valores de trabajo; su membrana separa el agua del gas, normalmente nitrógeno.
• Intercambiador de placas: El intercambiador de placas transfiere energía térmica entre dos fluidos sin mezclarlos; los fluidos circulan por canales alternos y la calor atraviesa las placas por conducción.
• Separación hidráulica: Desacopla circuitos con distintas necesidades de caudal para evitar que las variaciones de caudal de un circuito afecten al funcionamiento de otro.
• Filtro: Retiene partículas e impurezas del circuito para evitar daños en componentes como bombas, intercambiadores y válvulas.
• Separador de aire: Facilita la eliminación de microburbujas y aire disuelto en el agua del circuito y permite expulsarlo automáticamente.
• Separador de fango: Retiene partículas y magnetita del circuito de agua de calefacción para evitar que circulen y dañen los componentes.

★ Imprescindible

• 🔄 El funcionamiento del vaso de expansión sigue esta secuencia: el aumento de temperatura incrementa el volumen del agua, el agua entra en el vaso y comprime el gas, el vaso absorbe la variación de volumen y estabiliza la presión

• La válvula de seguridad permanece cerrada cuando la presión es inferior a su presión de tarado y abre para descargar fluido cuando la presión la supera, hasta que la presión vuelve a un valor seguro.

• La válvula de corte aísla componentes abriendo o cerrando totalmente el paso, mientras que la válvula de regulación modifica o controla el caudal.

• Una válvula de tres vías puede mezclar dos caudales, desviar un caudal entre dos caminos o conmutar entre circuitos; la función depende de su configuración y del control asociado.

Complementos

• Las tipologías habituales de filtro son:

  • el filtro de malla
  • el filtro en Y
  • el filtro magnético o separador de fango

• El aire en el circuito puede causar:

  • ruidos
  • corrosión
  • menor transferencia térmica
  • problemas de circulación
  • cavitación en determinadas condiciones

📌 El purgador manual expulsa el aire mediante una apertura manual con tornillo o válvula, mientras que el purgador automático expulsa el aire automáticamente cuando se acumula en la parte superior.

• Las tipologías habituales de válvulas de corte son:

  • la válvula de bola
  • la válvula de compuerta
  • la válvula de mariposa
  • la válvula de esfera con uniones

• Las válvulas de regulación habituales incluyen:

  • válvulas termostáticas
  • válvulas motorizadas de dos vías
  • válvulas de tres vías
  • válvulas de equilibrado

💡 Truco mnemotécnico

La válvula de corte aísla; la de regulación modula el caudal.

📖 8. Potència, rendiment i dades tècniques

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Potencia térmica: Energía térmica transferida por unidad de tiempo que expresa la capacidad de un equipo para aportar o extraer calor.

★ Imprescindible

📐 Fórmula - En una bomba de calor idealizada sin pérdidas, la potencia térmica de condensación es la suma de la potencia térmica extraída en el evaporador y la potencia eléctrica consumida: $Q_{cond} = Q_{evap} + P_{el}$.

📐 Fórmula - El COP en calefacción es la relación entre la potencia térmica de calefacción suministrada y la potencia eléctrica consumida: $COP = \frac{Q_{calefacción}}{P_{el}}$.

📐 Fórmula - El EER en refrigeración relaciona la potencia frigorífica útil con la potencia eléctrica consumida: $EER = \frac{Q_{refrigeración}}{P_{el}}$.

📌 El COP y el EER corresponden a una condición o punto de funcionamiento, mientras que el SCOP y el SEER representan el comportamiento estacional en calefacción y refrigeración, respectivamente.

• El COP depende de:
  • la temperatura exterior
  • la temperatura de impulsión
  • la temperatura de retorno
  • la carga
  • el régimen de funcionamiento
  • los ciclos de desescarche
  • la potencia auxiliar

📌 A7/W35 indica aire exterior a 7 °C y agua de impulsión a 35 °C; los valores de COP o potencia solo son comparables cuando corresponden a condiciones equivalentes.

• Una bomba de calor anunciada con una potencia nominal de 10 kW no necesariamente proporciona 10 kW en todas las condiciones; la capacidad puede disminuir con menor temperatura exterior, mayor temperatura de impulsión, cambios de carga o desescarche.

Complementos

• La potencia térmica se mide en vatios (W) en el SI y se expresa habitualmente en kilovatios (kW) en climatización.

• Si una bomba de calor suministra 8 kW de calefacción y consume 2 kW eléctricos, su COP es 4.

📌 El COP es un coeficiente de prestación y no significa que la máquina tenga un rendimiento convencional del 400 %.

📐 Fórmula - El SCOP es la relación entre la demanda anual de calefacción cubierta y la electricidad anual consumida: $SCOP = \frac{\text{demanda anual de calefacción cubierta}}{\text{electricidad anual consumida}}$.

📐 Fórmula - El SEER es la relación entre la demanda estacional de refrigeración y el consumo eléctrico estacional: $SEER = \frac{\text{demanda estacional de refrigeración}}{\text{consumo eléctrico estacional}}$.

• En el ejemplo de condiciones de ensayo, los COP son 4,8 para A7/W35, 3,8 para A7/W45, 3,2 para A2/W35 y 2,1 para A-7/W35.

• Para interpretar una curva hay que identificar:

  • la magnitud representada
  • las condiciones de la curva
  • el intervalo de temperaturas
  • la variación de la curva
  • su aplicación a la demanda real

💡 Truco mnemotécnico

COP y EER son puntuales; SCOP y SEER son estacionales.

📖 9. Visió global de la bomba de calor

📝 Puntos esenciales

• Una bomba de calor integra: un circuito frigorífico que transporta energía térmica, un circuito hidráulico que transporta energía térmica mediante agua, un circuito de control que gestiona el funcionamiento de la instalación

📊 Tablas de síntesis

Comparación de tipologías

Comparación monobloc y bibloc