Por Jeremy Cook
La calefacción eléctrica resistiva, donde una corriente pasa a través de un medio eléctricamente resistivo, libera energía en forma de calor y resulta la forma más sencilla de calefacción eléctrica. De hecho, este desprendimiento de calor es inherente a los procesos eléctricos y, por lo general, resulta una ineficiencia evitarlo o administrarlo mediante dispositivos como disipadores de calor y ventiladores de enfriamiento.
En una función de calefacción resistiva, esta ineficiencia (calor) es el producto, por lo que, en teoría, es 100 % eficiente en términos de salida/entrada de energía.
Desafortunadamente, una eficiencia del 100 % no es suficiente para que la calefacción eléctrica de hogares y edificios resulte práctica frente a la combustión de combustibles fósiles. Sin embargo, existe otra solución: la bomba de calor eléctrica. En lugar de convertir la energía eléctrica directamente en energía térmica, las bombas de calor absorben y transportan el calor desde un área (es decir, el exterior) y lo bombean hacia el interior, lo que multiplica la producción de calor, en comparación con la entrada de energía eléctrica. La eficiencia de las bombas de calor y el ahorro de costos frente a la calefacción eléctrica resistiva pueden ser bastante atractivos.
Funcionamiento y rendimiento de la bomba de calor
El rendimiento de la bomba de calor se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP) del sistema, expresado por la siguiente ecuación: potencia de entrada x COP = producción de calor.
Mientras que el COP de un serpentín de calefacción resistiva es 1, las bombas de calor pueden alcanzar un COP de 2 o 3 (o incluso más, según el diseño y las condiciones térmicas). Se divide la producción de calor requerida por el COP para obtener la entrada de energía requerida; en general, es una fracción de la entrada de calefacción resistiva equivalente.
El transporte de energía de la bomba de calor se logra mediante un ciclo térmico. Se emplea un fluido de bajo punto de ebullición (un refrigerante) en un circuito de bomba de calor. Este es el mismo ciclo térmico mediante el cual un refrigerador bombea calor fuera de un espacio confinado para mantener los alimentos fríos, pero a la inversa.
Simplificación del proceso para un dispositivo de calefacción interior:
1. Un fluido térmico de bajo punto de ebullición (es decir, refrigerante) sale del compresor en forma de vapor sobrecalentado a alta presión y alta temperatura.
2. El fluido ingresa al intercambiador de calor interior. Se pierde energía del fluido y esta se incorpora al aire interior en forma de calor (con un flujo de aire forzado a través de un ventilador), lo que hace que el líquido se condense en un líquido ligeramente más frío y de alta presión.
3. La válvula de expansión transforma el fluido en una mezcla de líquido/vapor a baja temperatura y baja presión.
4. El fluido ingresa al intercambiador de calor exterior. Se incorpora energía al líquido desde el exterior (con un flujo de aire forzado a través de un ventilador), lo que hace que se evapore. El fluido sale del intercambiador de calor en forma de vapor ligeramente sobrecalentado a baja presión y baja temperatura.
5. El fluido ingresa al compresor, se transforma en vapor sobrecalentado a alta temperatura y alta presión, lo que inicia el ciclo una vez más.
El concepto clave en este ciclo es que la energía se libera (pierde) al ambiente en el paso 2, lo que permite calefaccionar el espacio interior, mientras que se absorbe energía del exterior en el paso 4 y esta se transporta al interior. El mismo concepto se aplica a la inversa para enfriar espacios interiores mediante aire acondicionado.
Los refrigerantes suelen tener puntos de ebullición muy por debajo de 0º (Fahrenheit o Celsius). Por ejemplo, el R410A tiene un punto de ebullición de -48,5 ºC (-55,3 ºF). La clave de este ciclo es que se requiere una gran cantidad de energía para hacer hervir un fluido y se libera mucha energía durante la condensación.
Avances de las bombas de calor modernas
El concepto general de la bomba de calor se conoce desde hace casi dos siglos y, durante muchas décadas, se ha utilizado en climas más templados para calefaccionar de hogares y edificios. Sin embargo, hasta hace poco, las bombas de calor no eran prácticas para su uso en climas más fríos como el norte de Estados Unidos y Canadá. Los últimos avances están cambiando esta restricción.
Los refrigerantes de alto rendimiento con puntos de ebullición muy bajos (por ejemplo, el punto de ebullición del R410A es de -55,3 ºC) ofrecen un funcionamiento a baja temperatura, y los diseños mejorados de los intercambiadores de calor permiten captar más calor del exterior.
Los compresores de velocidad variable que utilizan accionamientos de motor avanzados permiten que el equipo de calefacción aumente y disminuya la velocidad según sea necesario, en lugar de estar completamente encendido o apagado.
Los controladores de compuerta IGBT mejorados e incluso, los dispositivos basados en carburo de silicio, junto con los productos de detección de corriente que hacen posible el control de circuito cerrado y el mantenimiento predictivo avanzado de las bombas de calor colaborarán en el avance de esta tecnología hacia el futuro. Otros componentes, como los inductores e imanes avanzados, y hasta incluso los conectores, pueden permitir que los intercambiadores de calor funcionen con la máxima eficiencia y una sólida confiabilidad a largo plazo.
Futuras posibilidades de las bombas de calor
Este artículo se centra en las bombas de calor en el contexto de la calefacción de espacios interiores mediante el aire del exterior, pero los calentadores de agua con bombas de calor pueden utilizar la misma tecnología. Estos conceptos también se pueden implementar utilizando un intercambiador de calor enterrado en una configuración de bomba de calor geotérmica para aprovechar las temperaturas casi uniformes de la Tierra a fin de crear una fuente de energía que esté disponible más fácilmente que la que proporciona el aire exterior más frío. Las bombas de calor también podrían emplearse para procesos industriales, en reemplazo de los combustibles fósiles o las opciones resistivas.
Dadas sus ventajas y el impulso actual hacia la reducción de los combustibles fósiles, pronto se espera ver un mayor uso de intercambiadores de calor para calefacción. Con mejoras en el diseño eléctrico y mecánico, podemos esperar mayores eficiencias de estas unidades, lo que las convertiría en una opción aún más atractiva en los próximos años.
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