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La bomba de calor cuántica

El descubrimiento que han realizado diversos científicos puede cambiar en unos años la forma de generar la calefacción en nuestros hogares. Aunque el objetivo de la investigación es otro completamente distinto, puesto que lo que se pretende es la búsqueda de materia oscura.

Los físicos responsable del hallazgo pretenden construir un dispositivo que pueda medir las señales de radiofrecuencia. Se trata de un grupo de investigadores de la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos, de la Universidad de Tubinga en Alemania y de la Universidad de Tecnología y Ciencia de Zurich de Suiza.

El invento diseñado parece contradecir el segundo principio de la termodinámica. Sin embargo, solo es en apariencia. ¿Qué dice este principio? Aunque se puede formular de maneras diferentes, la definición de Clausiois indica que, en un sistema aislado, no se puede extraer calor de un cuerpo frío y cederlo a otro más caliente. Ello se mantiene siempre, ya que aún no se ha podido demostrar lo contrario.

¿Cómo funciona?

En ello se basa la bomba de calor. Sin embargo, este equipo tiene que aportar un trabajo exterior al sistema. Esto es lo que han conseguido los científicos mencionados, pero utilizando partículas de luz. El dispositivo ideado es un sistema análogo a la bomba de calor. Su funcionamiento se basa en mover los fotones de la luz contra la corriente de un cuerpo caliente a un frío.

El mecanismo consiste en dos circuitos semiconductores independientes, integrados por inductancias y condensadores superconductores. Todo está integrado en un microchip, que es enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, a casi -273 °C.

La materia oscura es una sustancia invisible que permea el espacio. Fue descubierta porque distorsiona la luz de estrellas lejanas. | Gettyimages.

Para su funcionamiento se aplica una presión fotónica y se aprovecha la poca energía térmica que poseen los fotones. Al aplicar dicha presión, se pueden acoplar esos fotones a otros fríos, que poseen mayor frecuencia.

Uno de estos circuitos contenidos en el microchip es la parte fría de alta frecuencia y el otro, caliente, el de baja frecuencia. El circuito caliente está formado por una fuente de alimentación y una bobina, donde se crea una corriente. Esta genera un campo magnético que lleva al acoplamiento, cuyo efecto está relacionado con la presión y los fotones de la luz.

Por su parte, el circuito frío está constituido por un condensador superconductor. Cuando recibe una señal, actúa como un amplificador. Esto facilita que se detecten mucho mejor los fotones de radiofrecuencia que se escapan del circuito caliente. Y dando lugar al sistema que buscan los investigadores. Un amplificador que ayude a detectar la materia oscura.

¿Se puede utilizar para producir calor?

Aunque no es el objetivo inicial de la investigación, lo cierto es que se ha diseñado un sistema que con las modificaciones oportunas podría ser empleado como un generador de calor reversible. Es decir, que se pudiera aprovechar como una bomba de calor actual. Con la ventaja de que no se necesitan gases refrigerantes que en la actualidad se ha demostrado, son peligrosos.

La bomba de calor aprovecha el ciclo de Carnot de algunos fluidos, por medio de un trabajo de compresión y expansión. De esta forma se consigue robar calor de un lugar frío, para cederlo a otro más caliente.

La idea sería usar la tecnología del microchip descrito y hacerlo a gran escala. De forma que la energía conseguida pudiera ser aprovechada a nivel doméstico o industrial. Aunque todo esto es aún una suposición, no debemos descartar que nuevas investigaciones se encaminen en ese sentido.

Por ahora, los autores del descubrimiento han conseguido también transmitir una señal adicional al circuito frío. Esta señal sirve para crear un motor que, explicado de modo sencillo, amplifica los fotones fríos y los calienta.

A la vez que se produce lo anterior, dicha señal descarga los fotones en una dirección preferente entre ambos circuitos. Al ejercer mayor fuerza en una dirección que en la otra sobre los fotones, los científicos son capaces de enfriar los fotones de una parte del circuito a una temperatura más fría que la de la otra parte. De manera que se desarrolla una versión cuántica de la bomba de calor para fotones en un circuito superconductor.

Aerotermia con recuperación de calor

Es ya muy conocida la bondad de la aerotermia y de las bombas de calor en general. Sin embargo, otra innovación desarrollada hace algunos años consigue que aprovechamos aún más su funcionamiento en verano. Estos sistemas pueden calentar el agua sanitaria casi de forma gratuita, aprovechando el calor que la bomba de calor necesita disipar en el exterior.

Pero, ¿cómo es posible calentar el agua de forma gratuita? Todos sabemos que la bomba de calor puede realizar diferentes funciones. Un equipo de aerotermia está diseñado para proporcionar refrigeración, calefacción y, además, calentar el agua sanitaria. No obstante, la tecnología de recuperación de calor nos proporciona agua caliente sin consumo adicional de electricidad.

Para entender primero la tecnología de recuperación de calor, debemos recordar cómo funciona la bomba de calor en sí, tanto en invierno como en verano.

Bomba de calor con recuperación

Debemos tener en cuenta que la bomba de calor no genera calor o frío al consumir un combustible. Una caldera tradicional convierte la energía contenida en el gas, gasoil o biomasa, en calor mediante la combustión. Por el contrario, una bomba de calor absorbe el calor de un lugar para llevarlo a otro. No transforma una energía en otra.

Durante invierno, la bomba de calor aprovecha la energía térmica contenida en el aire del exterior. De modo que absorbe calor para trasladarlo al interior de nuestra vivienda o calentar el agua sanitaria, que usaremos en la ducha, por ejemplo.

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Al llegar el verano, hace lo contrario. Es decir, un equipo de aerotermia roba el calor que hay en el interior de nuestra vivienda para expulsarlo en el exterior. De forma que se consigue un descenso de la temperatura en el interior de las habitaciones. Allí donde tenemos instalado un split o un suelo radiante refrescante.

Hasta aquí cómo funciona el tradicional aire acondicionado o la bomba de calor normal. Sin embargo, al observar el funcionamiento en modo verano, comprobamos que hay un calor que es como un residuo. Este calor remanente debemos expulsarlo al exterior.

Como prueba de ello tenemos esa ráfaga de aire caliente que sale de la fachada de alguna tienda y nos sobresalta. Algo que muchos de nosotros sufrimos constantemente al caminar por la calle en verano. Y, ¿por qué no aprovechamos ese calor que nos sobra al climatizar durante la estación estival?

Esta es precisamente la solución que nos ofrece una bomba de calor con recuperación de calor.

¿Cómo funciona?

El aprovechamiento de la recuperación de calor se produce en los modelos de bomba de calor que disponen de los dos servicios. A saber, climatización y agua caliente sanitaria.

Así, una bomba de calor tradicional, o sin el sistema de recuperación, únicamente puede atender un servicio a la vez. Es decir, durante el verano, cuando necesitamos refrigeración dentro de nuestra casa, oficina o negocio, el equipo de aerotermia trabaja en modo verano. En este modo, roba calor del interior para expulsarlo al exterior, es el funcionamiento que vemos con el número ① en el siguiente dibujo.

Sin embargo, en esta situación no puede generar agua caliente sanitaria. Para ello, cuando el agua del depósito está fría, la bomba de calor debe parar el servicio de climatización para calentarla. Por ejemplo, si el agua está a 22 °C y nosotros la queremos a 45 °C.

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Así, como muestra la representación con el número ②, dejamos de tener aire acondicionado, mientras se calienta el agua del acumulador. Teniendo en cuenta que la bomba de calor sigue consumiendo electricidad.

En cambio, viendo el funcionamiento de una bomba de calor con recuperación, en el dibujo ③, observamos una pequeña diferencia. En estos modelos de aerotermia se ha integrado un pequeño dispositivo que permite aprovechar parte del calor que retiramos del interior de la vivienda. Así, se disipa en el acumulador de agua sanitaria, en vez de en el aire del exterior.

De este modo estamos calentando el agua sanitaria al mismo tiempo que enfriamos nuestra vivienda, por lo que estamos consiguiendo un ahorro de electricidad.

Recomendaciones para la aerotermia con recuperación de calor

Lógicamente, solo podemos aprovechar esta tecnología cuando necesitamos refrigeración. Por ello se recomienda la instalación de estos equipos de aerotermia en lugares donde la temporada estival es más larga. Es decir, en zonas geográficas con climas cálidos. En estas regiones, utilizaremos durante gran parte del año los sistemas de refrigeración y, apenas o nada, la calefacción. En estos casos el aprovechamiento de la recuperación de calor será mayor. Y por tanto el ahorro en la factura de la luz también.

No obstante, este sistema se ha implantado en otro tipo de equipos. Sirven para conjuntos de climatización de oficinas y con la misma intención: reducir el consumo eléctrico. En este caso, el objetivo es climatizar diferentes estancias con temperaturas muy diferentes. Es decir, unas oficinas en modo verano y otras en modo invierno.

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Esta tecnología se ha implantado en los sistemas VRF o de Volumen Variable de Refrigerante. Hasta la aparición de este sistema, todos los despachos tenían que usar el mimo modo de funcionamiento. Es decir, cuando una persona demandaba a través de su termostato una temperatura, obligaba a todos los usuarios a utilizar el mismo modo de funcionamiento. Y, por lo tanto, a un rango de temperaturas.

Sin embargo, con el sistema de recuperación de calor, cada estancia que dispone de termostato puede demandar la temperatura que desee. El kit de recuperación de calor se encarga de aprovechar el calor absorbido en una estancia. Este calor es inyectado en otra, ayudando en el ahorro del consumo eléctrico. Y lo que es más importante, ofreciendo un gran confort a todos los usuarios.

Estos sistemas de aerotermia con recuperación de calor son ideales para edificios con varias orientaciones. Unas oficinas expuestas directamente al sol necesitan refrigeración. En cambio, otras oficinas dan al norte, por lo que en ocasiones necesitan aumentar la temperatura para que los trabajadores no tengan frío.

bomba de calor

¿Qué tipos de bomba de calor existen?

La bomba de calor se ha convertido en el sistema de climatización más eficiente. Teniendo en cuenta que puede llegar a producir 4 kW de calor con apenas 1 kW de electricidad. Además, si esa electricidad la generamos con un sistema de placas solares fotovoltaicas nos aseguramos de que disponemos de un sistema 100% ecológico.

Pero ¿qué es y cómo funciona una bomba de calor?

Una bomba de calor es un sistema de climatización cuyo funcionamiento está basado en la termodinámica. Estos equipos aprovechan la energía térmica que está disponible en el aire, en la tierra o en bolsas de agua, para trasladarla al interior de nuestras viviendas y edificios. La gran ventaja de una bomba de calor es que puede funcionar en dos direcciones. De forma que puede aportarnos calor o frío al interior de nuestra casa.

Para su funcionamiento utilizan un gas o líquido que es susceptible de absorber y ceder temperatura con cierta facilidad. Este gas es sometido a procesos de compresión, condensación, expansión y evaporación. De modo que en la condensación desprende calor y durante la evaporación lo absorbe. Cada una de estas dos fases la realiza en una parte del circuito que están separadas. Así, se consigue aprovechar la temperatura de un sitio para cederla al otro.

Es por este motivo que, si invertimos el ciclo de la bomba de calor, podemos aprovechar este sistema todo el año. Es decir, en invierno nos interesa absorber calor del exterior para llevarlo dentro de la vivienda. En cambio, en verano robaremos calor del interior para llevarlo fuer y así estamos refrescando nuestra vivienda.

Tipos de bombas de calor

Se ha aprovechado el avance de la tecnología para desarrollar bombas de calor que aprovechen la energía térmica contenida en cualquier ambiente. Es decir, podemos robar o ceder calor al aire que nos rodea. También aprovechar una bolsa de agua, en forma de embalse, lago o piscina y, además, de la tierra que tenemos en nuestro jardín. En función de donde saque la energía térmica las bombas de calor varían en su diseño y las denominamos de manera diferente.

Para reconocerlas y saber de dónde absorben la energía y donde la traslada se nombran mediante dos elementos. Estos pueden ser aire, agua o tierra. De este modo se nombra primero el sitio de donde se extrae el calor y el segundo hace referencia al lugar donde depositamos esa energía calorífica. Teniendo en cuenta el ciclo de invierno, es decir, para calefacción.

✓ Bomba calor aire-aire

Las bombas de calor aire-aire son los tradicionales aires acondicionados. Como su nombre indica, aprovechar la energía del aire del exterior de los edificios, para calentar o enfriar el aire de dentro. En un principio solo funcionaban en modo frío, sin embargo, al mejorar la tecnología y desarrollarse la válvula de 4 vías se pudo revertir el ciclo. De este modo, apareció lo que muchas personas conocen como bomba de calor. Ya que estos equipos de aire acondicionado eran capaces de cambiar a modo invierno y aportar calor al aire interior de nuestra casa.

Bomba de calor aerotérmica (aire-aire y aire-agua)

✓ Bomba calor aire-agua

Al igual que el modelo anterior, estos tipos de bomba de calor aprovechan la energía contenida en el aire que nos rodea. Al aprovechar el aire para conseguir la energía calorífica se les llama también equipos de aerotermia. No obstante, en este caso lo que se pretende es calentar o enfriar agua. Esta se puede utilizar tanto para uso doméstico, como para la calefacción o refrigeración.

En los últimos años, están apareciendo en el mercado los nuevos equipos de Aerotermia para ACS, que son los sustitutos naturales de los tradicionales termos eléctricos y de los calentadores de gas.

✓ Bomba de calor agua-agua

La bomba de calor agua-agua, o también conocida como hidrónica, aprovecha la energía del agua. En este caso, para su instalación necesitamos que haya alguna acumulación de agua, bien sea en forma subterráneo o superficial.  Por lo general se aprovecha alguna laguna, embalse o piscina, donde se sumerge una tubería del gas o líquido frigorífico. Esta debe tener suficiente longitud para que se pueda realizar el intercambio térmico.

Estos tipos de bomba de calor aprovechan esa disipación de calor para llevar la energía térmica al agua que usaremos en la vivienda. Tanto para limpieza como para calefacción, bien con fancoils, suelo radiante o radiadores de baja temperatura.

Bomba de Calor hidrónica o de agua-agua

✓ Bomba de calor tierra-agua o geotérmica

Las bombas de calor geotérmicas se conocen también como de tierra-agua. En este caso aprovechan la energía térmica del subsuelo. Se considera que son las más eficientes, ya que el subsuelo suele mantener una temperatura mucho más constante durante todo el año. A diferencia del aire que sufre muchas variaciones de temperatura en apenas una o dos horas. El agua de estanques o lagos también puede variar su temperatura fácilmente.  

En cambio, a una profundidad de un par de metros la temperatura de la tierra es mucho más constante. Esto es mejor para el funcionamiento de las bombas de calor, que a través de una red de tuberías enterradas en un terreno disipan la energía que se ha recogido del interior de la vivienda.

Bomba de calor Geotérmica o tierra-agua

Para su funcionamiento, estos tipos de bombas de calor deben disponer de una red de tuberías enterradas en la tierra. Debemos tener en cuenta, que en todos los casos la longitud de los tubos, su profundidad de instalación y disposición debe ser calculada por un técnico especializado. De forma que se garantice el adecuado intercambio térmico.

Estas pueden instalarse de diferentes modos. Bien en profundidad, haciendo un pozo de una altura suficiente para poder disipar la temperatura que han calculado los técnicos. O también, en superficie, de manera que es más fácil el trabajo.

En las instalaciones geotérmicas en superficie no es necesario excavar un pozo. Por el contrario, se necesita mucho más terreno para poder repartir el tubo por un área que permita el intercambio térmico. Este tipo de instalación de los tubos se puede hacer de dos guisas, bien con tubos rectos o con tubos en espiral. Cada uno de estos tipos necesitará de una longitud y un diámetro de tubo determinado.

Bomba de calor tierra-agua con tuberías horizontales rectas
Bomba de calor tierra-agua con tuberías horizontales en bucle

Kit de aerotermia para producción de ACS

Teniendo en cuenta que la producción de agua caliente sanitaria que necesitamos representa el 25% de la energía que consumimos en nuestras viviendas, cualquier ahorro significa mucho. Gracias a los sistemas de aerotermia se consigue calentar o enfriar agua con menos esfuerzo que con otros sistemas o con los combustibles fósiles.

De ahí que todos los fabricantes de equipos para calefacción y ACS (agua caliente sanitaria) hayan desarrollado una herramienta que funciona en base a la aerotermia, que sirve para calentar y almacenar agua caliente para el uso en casa. Estos equipos son sustitutos de los tradicionales termos eléctricos, o calentadores de gas.

¿Qué es la aerotermia?

Llamamos aerotermia al sistema de climatización que obtiene energía calorífica del aire exterior de la vivienda para trasladarla al agua sanitaria o para la calefacción. Este proceso se realiza mediante una bomba de calor. No obstante, el equipo específico para generación de agua caliente sanitaria se ha diseñado para acumular cierta cantidad de agua, que luego usaremos en la ducha, para la limpieza, etc.

Estos conjuntos de aerotermia para ACS es el más eficiente que existe actualmente, ya que permite extraer hasta el 75% de la energía del aire. Es decir, las bombas de calor son capaces de generar hasta 4 kW de calor, con solo 1 kW de electricidad, de forma que ahorramos en nuestra tarifa de la luz. Los otros 3 kW son robados al aire que hay en el exterior de la vivienda. Es por ello que se considera un sistema de energía renovable.

Tipos de sistemas de aerotermia para ACS

Los fabricantes han desarrollado diferentes tipos de equipos de aerotermia. Así se han diseñado equipos compactos y otros que están divididos en una parte exterior y otra interior.

Equipo de aerotermia partido

En este caso, existen dos partes que funcionan conjuntamente para la generación de agua caliente. La unidad exterior, también denominada unidad condensadora, es la encargada de capturar la energía calorífica contenida en el aire y transferirla a un gas frigorífico. Este gas es desplazado a la unidad interior, donde se transfiere ese calor al agua que hay almacenada en un depósito.

Cuando usemos el agua precalentada que hay en dicho acumulador, entrará agua fría proveniente de la red pública de suministro. En ese momento, el equipo detectará que la temperatura ha bajado del valor que le hemos marcado y pondrá en marcha el sistema para realizar el proceso y volver a calentarla.

Los conjuntos de aerotermia partidos suelen ser para un consumo de agua muy grande, y por ello suelen destinarse para suministro de la calefacción y del agua caliente sanitaria, o para agua de consumo en hoteles, residencias o centros deportivos.

Equipo de aerotermia compacto

Estos equipos se han diseñado básicamente para el suministro de agua caliente sanitaria. Por ello son más pequeños y de menor potencia. Esta característica ha favorecido que el tamaño de la unidad condensadora sea lo suficientemente pequeño como para integrarlo junto al acumulador de agua.

Así, no son necesarias las tuberías para trasladar el gas frigorífico desde una unidad a la otra, facilitando la instalación. El único inconveniente es que estos kits de aerotermia para ACS disponen de una entrada y una salida de aire. Ambas deben ser conducidas al exterior de la vivienda para aprovechar mejor la energía del aire.

¿Por qué aerotermia para generar agua caliente sanitaria?

La normativa actual obliga a los edificios de obra nueva a poseer sistemas de energía renovable para producir Agua Caliente Sanitaria. Concretamente, es el Código Técnico de la Edificación en su parte sobre la contribución solar mínima para la producción de ACS, indica que la energía usada para la producción de este tipo de agua puede no ser solar, sino de otra fuente de energía. No obstante, las emisiones de dióxido de carbono y el consumo de energía no renovable sea sean iguales o menor a las que se darían mediante energía solar térmica. Este criterio lo cumplen los sistemas de aerotermia.

Ventajas de utilizar aerotermia para ACS

AspectoVentaja de la aerotermia para ACS
Menos energía✓ El ahorro de energía, solo para Agua Caliente Sanitaria, puede llegar al 40%
Calefacción✓ También se pueden aprovechar en determinadas ocasiones para calefacción
Ahorro✓ Reducción de las facturas de energía utilizadas para obtener ACS
Descarbonización✓ Cumplimiento de las normas sobre energía renovable
Instalación sencilla✓ La instalación es relativamente sencilla, ya que está todo integrado y solo hay que conectar las tomas de agua y enchufarlo a la electricidad. Como en un termo eléctrico
Compatible✓ Compatible con otros sistemas de energía renovable, por ejemplo, con placas fotovoltaicas de autoconsumo
Media ambiente✓ Reducción del consumo de combustibles fósiles
Mantenimiento✓ Son equipos con poco mantenimiento y sencillo
Renovable✓ el 75% de la energía que consume proviene del aire, por lo que es en gran parte renovable.

¿Cómo podemos saber la eficiencia de un kit de aerotermia para ACS?

La eficiencia de las bombas de calor se define por su SCOP, del inglés Seasonal Coefficient Of Performance, o coeficiente de rendimiento estacional. Este dato suele variar entre 3 y 5 según el modelo y la marca de cada equipo de aerotermia.

Algo importante que debemos tener en cuenta es que, la eficiencia estacional de los equipos de aerotermia o su SCOP disminuye cuando la temperatura del aire decrece. Es decir, cuando se reduce la cantidad de “calor” que se puede robar al aire. Es por ello que en las etiquetas energéticas de las Bombas de Calor de Aerotermia se incluye un mapa de Europa con diferente graduación de color por zonas.

En cada zona, en función del clima y las temperaturas medias registradas en los últimos años, se establece unos valores de eficiencia diferentes para calefacción o agua caliente.