Al Calor de las Bombas

Son capaces de climatizar ambientes, como también de calentar agua para fines domésticos o industriales, con alta eficiencia, bajos costos de operación, usando recursos limpios y renovables. Esa es parte de la atractiva carta de presentación de las bombas de calor, cuya implementación puede contribuir a la descontaminación atmosférica local y “aportar con reducciones en el uso de combustibles fósiles, evitando la emisión de gases de efecto invernadero”.

Así lo destaca la Guía para el Usuario publicada por el Ministerio de Energía con el apoyo del Programa de Energías Renovables y Eficiencia Energética de la Sociedad Alemana para la Cooperación Internacional GIZ. El documento entrega orientaciones para fomentar su aplicación a nivel residencial, comercial e industrial, algunas de las cuales resumimos a continuación.

Aplicaciones y Ventajas

En términos simples, las bombas de calor son equipos que transfieren energía térmica de un lugar a otro, pudiendo calentar o enfriar un espacio, un fluido o agua caliente sanitaria (ACS).

Como tal, sus aplicaciones incluyen la climatización de viviendas, locales comerciales, oficinas, edificios, centros educacionales o de salud, etc.; calentamiento de agua y fluidos para procesos productivos mineros, textiles, alimentarios, entre muchos otros; calentamiento de ACS para usos domésticos e industriales; procesos de refrigeración, congelamiento y secado; y diversas actividades industriales como lavado, pasteurización y producción de vapor.

La Guía para el Usuario de Bombas de Calor resalta que su implementación tiene ventajas como las siguientes:

• Son altamente eficientes, pudiendo entregar entre dos y cinco unidades de calor, por cada unidad de energía consumida.
• Es posible usarlas en diferentes condiciones geográficas y climáticas.
• Operan con recursos renovables, como el calor de la tierra o del aire exterior, generando un impacto ambiental menor.
• Tienen bajos costos de operación.
• Requieren poco mantenimiento, son duraderas y altamente confiables. “Para aplicaciones residenciales, la vida útil promedio va desde los 20 a los 25 años”, grafica el documento.
• Se pueden implementar en diversos tamaños y cargas de energía: desde aplicaciones pequeñas que requieren, por ejemplo, de 5 kW hasta sistemas de calefacción distrital de 100 a 1.000 kW o más.
• Ayudan a disminuir la emisión de gases de efecto invernadero y, así, frenar el cambio climático.

Bomba de calor geotérmica industrial para generación de calor.

De igual manera, el documento advierte sobre algunas desventajas de esta tecnología: la inversión inicial suele ser más elevada que la de equipos convencionales de climatización; si se trata de bombas de calor eléctricas que reemplazan el uso de combustibles fósiles, subirá la cuenta de electricidad; su nivel de ruido puede ser molesto en algunos casos; la eficiencia depende directamente de la temperatura de la fuente de calor y del sumidero donde se evacúa, por lo que los equipos que operan con aire pueden perder rendimiento en zonas más frías.

Considerando el medio que utilizan para calentar o enfriar, las bombas de calor se dividen en dos grandes grupos: aerotérmicas y geotérmicas. En las siguientes líneas, se presentan sus características y aplicaciones.

Aerotérmicas

Corresponde a equipos que aprovechan el calor contenido en el aire exterior para calentar o enfriar un ambiente o fluido. De acuerdo a un índice de precios y a un estudio de mercado realizados por la GIZ, las bombas de este tipo más utilizadas en Chile son:

• Equipos Split:
Se usan para la climatización de ambientes residenciales y en algunos casos comerciales. Cuentan con dos unidades: una que se instala en el espacio interior a climatizar y otra en una zona exterior donde se pueda intercambiar el calor con el aire ambiente.

• Compactas para ACS:
Ocupan el calor del aire para calentar agua sanitaria para usos domésticos. Se pueden configurar junto a un acumulador de agua (sistema compacto), lo que facilita su instalación; o separadas de dicho componente (sistema semi-compacto), lo que permite también alimentar sistemas de calefacción, por ejemplo, por loza radiante. Lo mismo ocurre con los sistemas no compactos que dividen la bomba de calor en dos: un compresor que hace circular el refrigerante y un evaporador donde se absorbe calor ambiental. En este último caso se pueden integrar con otras tecnologías limpias como los equipos geotérmicos y los sistemas solares térmicos.

• Reversibles para clima y ACS:
Pueden abastecer de calefacción o refrigeración gracias a que cuentan con una válvula de cuatro vías que permite revertir su funcionalidad. Además, son capaces de entregar agua caliente sanitaria para usos domésticos.

• Industriales para generación de calor:
Producen agua caliente para procesos industriales. “En general, tienen mecanismos de operación más complejos que los utilizados en aplicaciones residenciales y comerciales, en especial debido a que se busca alcanzar temperaturas más altas (cercanas a los 100 °C). Estos equipos son utilizados para una gran variedad de aplicaciones y pueden alcanzar potencias desde los 50-150 kW térmicos, hasta varios MW térmicos”, detalla la Guía de la GIZ.

Geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas aprovechan la energía térmica contenida en la tierra del subsuelo y/o en los cuerpos de agua, extrayendo o liberando ese calor a otro medio.

Las configuraciones más habituales para instalarlas son dos:

• Circuito cerrado:
Utiliza una red de tuberías por la que circula un fluido secundario que transfiere el calor obtenido desde la fuente al ciclo de la bomba. Las tuberías se pueden disponer de diferentes modos:

-Horizontal: Se usan para instalaciones de baja potencia y con una gran cantidad de terreno disponible. La red va a poca profundidad (entre 60 cm. y cinco metros), lo que reduce su costo de instalación, pero a la vez resta eficiencia al sistema ya que hay mayor incidencia del clima superficial.

-Vertical: Se hacen perforaciones verticales para disponer las tuberías a profundidades de 30 a 150 metros. Así, se ocupa menos terreno y se logra mayor rendimiento, pero sube el costo de inversión.

-Intercambiadores sumergidos: Se usan cuando hay una gran masa de agua donde se pueda sumergir la red de tuberías para hacer más eficiente la transferencia de calor. Su costo es menor al no requerir excavación.

-Intercambiadores Slinky: Configuración apta cuando hay poco terreno disponible, ya que se ocupa un tubo en espiral que permite instalar más tuberías en menos espacio. Su rendimiento es muy alto, pero la inversión es mayor que en otros casos, por la complejidad del sistema.

-Sistemas híbridos: Combinan diversas configuraciones y tecnologías (bombas de calor con colectores solares o torres de enfriamiento, por ejemplo), para mejorar el rendimiento y las condiciones de operación.

• Circuito abierto:
En estos casos, el calor se transporta de manera directa, sin la necesidad de un fluido secundario, desde la fuente que suele ser agua superficial o subterránea, pudiendo aprovechar incluso la energía térmica contenida en aguas residuales industriales. Generalmente se usan en aplicaciones a gran escala, como edificios, hospitales o sistemas de calefacción distrital. La Guía advierte que “para ejecutar este tipo de proyectos es necesario cumplir con normativas y permisos específicos”, debido a la alta complejidad en la implementación de estos equipos y la interacción con fuentes hídricas naturales.
Configuración de una bomba de calor aerotérmica para uso doméstico, en modo refrigeración.


Según los antecedentes recopilados por la GIZ, las bombas de calor geotérmicas más utilizadas actualmente son las reversibles, capaces de suministrar calefacción y refrigeración ya sea solo para climatizar ambientes o también para entregar agua caliente sanitaria para usos domésticos. También tienen alto uso aquellas que proveen de calor y frío de manera simultánea, las cuales se usan principalmente en aplicaciones comerciales e industriales que requieren contar con el servicio en todo momento del año. Y se suman las industriales que producen agua caliente para los procesos productivos, cuyo costo es elevado ya que tienen que ser diseñadas según las especificaciones técnicas de cada caso, afirma la Guía.

Factores de Eficiencia

En relación a esto último, el documento enfatiza que “para dimensionar y elegir un sistema de bombas de calor apropiado para un cierto lugar, uso y aplicación, se requiere información muy precisa y se recomienda siempre asesorarse previamente con un especialista. Esto debido a que la capacidad que tienen los equipos para calentar o enfriar un espacio y/o fluido varía según una serie de factores, tales como la región en donde se instale la bomba, la orientación del lugar (norte/sur), el tipo de construcción, el número de personas, la aislación térmica, el tamaño de las ventanas, etc.”.

En la misma línea, indica que, si bien las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas se pueden usar en varias aplicaciones, estos equipos tienen “diferentes eficiencias técnicas y económicas en función de la demanda de energía que tengan, escala de trabajo y características particulares de instalación de cada proyecto, entre otros parámetros a considerar”. Y añade, a modo de ejemplo, que los equipos geotérmicos “son más rentables para demandas constantes de energía y/o proyectos de gran escala”.

La Guía para el Usuario de Bombas de Calor también ofrece un par de ejemplos prácticos que sirven como orientación para estimar el costo de la implementación de esta tecnología.

¿Cómo Operan?

Las bombas de calor mueven un recurso renovable entre dos medios a diferentes temperaturas. Considerando que naturalmente el calor va desde las zonas de mayor a menor temperatura, estos equipos requieren energía mecánica, eléctrica o térmica para cumplir su tarea.

Actualmente, la mayoría usa electricidad “para alimentar un compresor, el cual a su vez hace circular un fluido refrigerante entre dos intercambiadores de calor: un evaporador frío y un condensador caliente. En el evaporador
el fluido refrigerante absorbe calor del medio con baja temperatura. Luego, el refrigerante es comprimido y enviado hacia el condensador, en donde se libera el calor absorbido al medio con alta temperatura”, explica la Guía para el Usuario.

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DATO

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Publicaciones técnicas sobre bombas de calor ha desarrollado el Programa de Energías Renovables y Eficiencia Energética de la GIZ en conjunto con el Ministerio de Energía: Guía para el Usuario, Estudio de Mercado, Índice de Precios y Listado de Proveedores. Todas se pueden revisar en los sitios web de ambas instituciones.

Artículo publicado en InduAmbiente 169 (Marzo-Abril 2021), págs. 80-82.