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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

Sistemas híbridos: tecnología y opciones

¿Qué es un sistema híbrido?

 Los sistemas híbridos son aquellos que nos permiten combinar dispositivos de calefacción tradicionales, que usan combustibles fósiles, con dispositivos de energía renovable. ¿Qué significa esto? Pues que es posible aprovechar una instalación de un sistema tradicional como una caldera y añadirle un sistema de energía renovable. Toda una ventaja que nos permite ahorrar en energía y reducir el gasto medio de calefacción y agua caliente sanitaria. Además, es un tipo de sistema que no sólo aporta beneficios en el ahorro económico y energético, sino también que ofrecen un alto rendimiento.

    Calefacción con caldera mixta para radiadores (fuente:@fotolia)

 

Beneficios de un sistema de calefacción híbrido

1.     Ahorro considerable de energía, ya que sólo consume 1 kW por 4 kW de energía calorífica producida.
2.     Regulación inteligente integrada que permite un mejor control de diferentes aspectos: precio, electricidad, consume.
3.     Mayor confort en comparación a otros sistemas de calefacción tradicional.
4.     Instalación rápida y reducido impacto en la vivienda.
5.     Rápida amortización de la inversión inicial (50% en un año) y ahorro de hasta un 65% en la factura anual.
6.     Disminuye la emisión de gases contaminantes y emisiones de CO2.
7.     Permite cubrir alrededor del 90% de las necesidades de calefacción y ACS en casa.

 

¿Cómo es el funcionamiento de un sistema híbrido de calefacción?

Es mucho más sencillo de lo que parece, ya que ambos sistemas están preparados para que puedan impulsar el calor hacía el emisor térmico del cual están compuesto cada uno. Está función la llevan a cabo de manera alternativa y siempre dependiendo d e la temperatura exterior que hayamos seleccionado anteriormente. El punto de unión de ambos sistemas de calefacción se da en el llamado punto de temperatura bivalente. Un punto que según la tecnología del propio dispositivo puede quedar también preestablecida. Liberándonos de tener que realizar un control más exhaustivo de su funcionamiento.

 

Energía solar como sistema híbrido: ¿lo conoces?

 Dentro de los sistemas híbridos podemos encontrar en el sector de la energía solar la tecnología híbrida con los paneles solares híbridos. La idea de unir ambas tecnologías y de dar forma a un único sistema que permita aprovechar la energía fotovoltaica y la térmica y con el objetivo de intentar solucionar el problema que presentaban las placas solares fotovoltaicas con el aumento de la temperatura. ¿Qué quiere decir esto? El rendimiento de las células fotovoltaicas que se comercializan en la actualidad está comprendido entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. Este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.  El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión

Con el diseño, de las placas solares híbridas se pretendía conseguir un incremento notable en la eficiencia de los paneles solares. Previniendo que sería superior al 15% sobre la potencia de pico suministrada por el panel FV (fotovoltaico) normal. Este incremento de potencia es muy significativo, ya que la eficiencia conseguida en los paneles, como ya indicamos anteriormente, está situada entre el 15% y el 25%.

Por otra parte, actualmente para instalar energía solar fotovoltaica y térmica antes de la producción y comercialización de los paneles solares híbridos, requería de dos instalaciones completamente independientes en el lugar de captación que habitualmente es la cubierta de los edificios. Esto implica tener que disponer de una mayor superficie para realizar ambas instalaciones. El Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDEA) calcula que para una vivienda de cuatro personas, 100 m2, hacen falta uno o dos metros cuadrados de paneles, dependiendo de la zona en la que este ubicada la vivienda.

¿Y cómo es su funcionamiento?

Existen dos tipos de tecnologías:

Función fotovoltaica-agua caliente

El funcionamiento por separado de los dos tipos es ya conocido. En los paneles térmicos, el sol incide en la superficie del panel, y el agua que circula por el interior es calentada por transferencia de calor. En los paneles fotovoltaicos, el sol incide sobre unas células que transforman la energía solar en electricidad, estas células son normalmente de silicio y hay de dos tipos: Monocristalinas y policristalinas. Los paneles fotovoltaicos convencionales, tan sólo aprovechan el 15% de toda la irradiación solar que reciben, un 5% es reflejado y el 80% restante se pierde en la cara frontal y posterior del panel. La peculiaridad de un panel híbrido es que aprovecha parte de la pérdida de calor de la cara posterior, alrededor de un 40%.

     Fuente de la imagen: ©EndeF.com

Estas placas están compuestas desde la parte superior a la posterior por:

  • Un vidrio solar que hace la función de protección. Un conjunto de celdas fotovoltaicas de silicio, que son las encargadas de transformar la luz del sol en electricidad.
  • Una pasta térmica, que hace las veces de unión entre la parte fotovoltaica y la térmica.
  • Una pletina de cobre como base recolectora del calor, y detrás de esta un serpentín de cobre, por el que circulara el fluido caloportador (glicol), como soporte para el serpentín suele ir otra pletina de cobre, y debajo un aislante, que ayudará a mantener el calor dentro de la estructura y de esta forma que se aproveche al máximo para calentar el fluido.
  • Todo ello está contenido en una carcasa que generalmente es de aluminio, a que hace la función de protección de todo el conjunto y de consolidación para que cada componente este fijo y se eviten roturas.

 

Función aero-fotovoltaica

Este tipo de placas solares híbridas buscan otro objetivo, aunque similar en su meta, es decir por una parte generar electricidad, igual que los anteriores, pero en su segunda función busca el objetivo de climatizar la vivienda a través de una corriente de aire. Es decir, ayuda a refrescar el panel en su parte interior y al mismo tiempo esta corriente de aire captura el calor que hay en el interior de la placa y es impulsado al interior de la vivienda, pasando a través de unos filtros de partículas. Todo ello, para así, asegurar que el aire entra en la vivienda limpio, sin polvo ni polen, y además calentado. Para regular la temperatura de este aire, y que el confort sea máximo, un dispositivo en el interior de la vivienda, combina parte de este aire, calentado dentro de las placas solares, con parte de aire interior de la vivienda o incluso del exterior directamente. La idea es conseguir que el aire que se distribuye en las diferentes estancias este a la temperatura deseada.

 

                  Función aero-fotovoltaica Rvolt de SISTOVI 

¿Qué otras opciones existen como sistemas híbridos?

1. Bomba de calor – suelo radiante

Se presenta como una combinación que es muy respetuosa con el medio ambiente y con la que es posible alcanzar una eficiencia energética realmente grande. Los expertos en calefacción aseguran que, al tener instalada una bomba de calor con un suelo radiante, se logra una distribución muy uniforme del calor o climatización en las habitaciones o estancias por las cuales esta compuesta la vivienda o establecimiento.

Es posible la reducción de zonas frías o calientes, ya que no sólo elimina las corrientes de aire que originan otros sistemas, sino que, además no remueve polvo. Una ventaja que beneficia a personas que sufran problemas de salud, como asma o alergias. Además, este tipo de sistema híbrido evita cualquier problema de espacio y favorece la decoración en casa. En lo referente a la eficiencia, es un sistema que nos abastece de temperaturas inferiores en calefacción y superiores en refrescamiento. Reduciendo de manera considerable el coste energético y proporcionando altos niveles de confort en la vivienda.

2. Caldera híbrida

Una combinación bastante particular ya que funciona con combustible y energía solar. La caldera híbrida logra calentar el agua sanitaria (ACS) con la fuerza de la energía solar. Si se diera el caso de que no hubiera más energía solar disponible o se necesitase, a su vez, abastecer a la vivienda de calefacción, la demanda se lleva a acabo a través del combustible de la caldera. Una buena solución que no sólo nos permite ahorrar espacio en la vivienda, sino que nos evita contar con dos aparatos (solar y caldera) con sus respectivas instalaciones y conexiones.

Calentador de agua solar con caldera y radiador (fuente:@fotolia)

Caldera de condensación y radiadores

Decidirse por una combinación de caldera de condensación con radiadores es una opción muy positiva. La caldera de condensación al ser un generador de calor muy versátil y eficaz, en comparación con el resto de calderas consigue generar calor de manera rápida y eficiente. Es un tipo de dispositivo que además se puede combinar muy bien con un sistema híbrido. Una combinación que junto con los emisores térmicos ofrece a la vivienda un gran rendimiento energético y ahorro. Por regla general, la caldera de condensación se puede también combinar con suelo o techo radiante. Un mix que nos aporta en la vivienda de un elevado confort.

Cómo podemos ver los beneficios de contar con un sistema híbrido en casa son bastantes. Un mercado que todavía se encuentra en España en el punto de partida pero en el que se puede augurar un buen futuro. El clima altamente favorable en nuestro país para el abastecimiento de energía a través de las renovables y los objetivos europeos de eficiencia energética, así lo acreditan.

 

 

 

 

Suelo radiante para aplicaciones urbanas

Orígenes del suelo radiante: por qué surge y cuál es el objetivo

¿Cómo funciona?

Antes de hablar de los orígenes del suelo radiante, conviene recordar qué es y cómo funciona. Llamamos suelo radiante, al sistema de calefacción que emplea el suelo de un local o superficie como emisor de calor. Pero también mencionar que el emisor puede ser cualquiera de los paramentos de los locales a calefactar (suelo, paredes o techo), aunque lo más corriente es emplear el suelo. Y su funcionamiento se basa en aportar calor (o frío) al material que forma el suelo, generalmente hormigón, haciendo que este eleve su temperatura y la mantenga durante un periodo largo de tiempo. Dada la extensión superficial del emisor se emplean bajas temperaturas, porque la emisión depende de la diferencia de temperaturas entre el emisor y el ambiente, y de la superficie del emisor (a mayor superficie de emisión será necesaria una diferencia de temperaturas menor). Algunas normativas limitan esta temperatura del suelo a 28 o 29 ºC.

Existen dos tipos principales de suelo radiante, el de agua y el eléctrico. El de agua se construye a base de tuberías que recorren todo el subsuelo y por las cuáles circula el agua que hemos calentado o enfriado previamente. Y que es la que le aporta al hormigón esa diferencia de temperatura que queremos trasladar luego al ambiente. El eléctrico también se instala en el suelo embebido en el hormigón, pero se diferencia en dos cosas.  La primera es que solo es capaz de producir calor, ya que lo que se instala es un cable eléctrico que es básicamente una resistencia que trasforma la corriente eléctrica en calor por efecto Joule. Y la segunda es que por su naturaleza no utiliza ningún fluido, solo corriente eléctrica. Y por ello no necesita de ningún generador, de calor o frío para el agua como es el caso del anterior.

En realidad, el suelo radiante puede funcionar también con solados de madera o moqueta, pero no resulta razonable tener un emisor térmico con su superficie cubierta por un aislante térmico. Lo que ocurrirá es que el sistema funcionará con más lentitud, obligando a que el calor tenga que traspasar la barrera aislante. Lo ideal es utilizar superficies que tengan buena conductividad térmica.

Orígenes y desarrollo

El origen del suelo radiante lo podemos encontrar en la antigua roma, cuando el ingeniero romano Cayo Sergio Orata diseñó, en el siglo I antes de Cristo, un sistema de calefacción que se emplearía con éxito en las termas romanas. Dados los buenos resultados de este invento, también se empleo con posterioridad en muchas casas de Patricios Romanos. Los restos más antiguos de este ingenio se han encontrado entre las ruinas de la ciudad de Olimpia y datan de la misma época que su presunto inventor. Dicho sistema recibe el nombre de hipocausto, y consistía en un horno desde el que se canalizaban los gases calientes resultantes de su combustión.

Este calor fluía a través de las canalizaciones que se encontraban bajo el suelo del edificio que se quería calentar. Al ser las baldosas y ladrillos de los que estaban construidos los suelos buenos conductores del calor, el resultado era un ambiente cálido y uniforme en el interior de la estancia. Se sabe que empleaban leña en el horno de combustión, y se calcula que la temperatura máxima alcanzada por esta calefacción no superaría los 30 ºC. También se aprovechaba el horno donde se quemaba la leña, para calentar en grandes tinas de cobre el agua que se utilizaría en los baños.

En Corea, la calefacción radiante por suelo radiante se utiliza desde hace unos 2.000 años. El concepto Ondol, que significa «piedra caliente», consiste en la utilización de piedras y conductos subterráneos para ayudar a transportar el aire caliente de la cocina a las habitaciones de la casa. La mayoría de las casas y edificios en Corea todavía usan ondol, aunque ahora usan agua caliente y sistemas eléctricos. Viajando a la época moderna encontramos a principios del siglo XX al arquitecto americano Frank Lloyd Wright, que descubrió ondol y lo utilizó en muchos de los edificios que diseñó. Además, también fue el inventor del sistema de agua caliente bajo el suelo de las viviendas.

Ciudades en las que se encuentran este tipo de sistemas de calefacción

Centrándonos más concretamente en las instalaciones en el exterior, las aplicaciones urbanas del suelo radiante se encuentran en la calefacción, y más concretamente, en la gran mayoría de los casos, para evitar la acumulación de nieve o hielo en calles, algunas carreteras y por supuesto en estadios de fútbol u otros deportes. Y es evidente, que este tipo de instalaciones se ejecutan en latitudes que sufren inviernos muy rigurosos, principalmente en los países nórdicos europeos y en el extremo sur de América, en zonas de Argentina.

Europa

Así encontramos algunos ejemplos en Islandia, lugar en que se encuentran numerosos yacimientos de aguas termales. En su capital, Reikiavik, las calles se congelan con facilidad en los meses de más frío. Para evitar resbalones y otros peligros se ha instalado calefacción por suelo radiante en diversas calles de la ciudad, evitando que se forme hielo. Otro ejemplo en Europa lo encontramos en Finlandia, donde varias ciudades disponen de suelo radiante en algunas calles. En este país nórdico son varias las ciudades que tienen escondido bajo su asfalto suelo radiante. Entre ellas su capital Helsinki o Joensuu, lo tienen instalado bajo sus calles más comerciales.

Otro ejemplo de calefacción por suelo radiante en el exterior son los recintos deportivos. Algunos deportes son negocios muy importantes y atraen a grandes cantidades de personas, llegando al punto en que la suspensión de partidos por nieve y hielo es un riesgo financiero considerable. Además de las ventajas en la práctica al poderse celebrar los partidos y los entrenamientos durante todo el año y el menor riesgo de que los jugadores se lesionen, por ello una calefacción de césped resulta también económicamente rentable. La Federación alemana del fútbol define la calefacción de césped en los estadios de primera división de la liga federal como estándar. Y ya existen más de 170 estadios equipados con calefacción de césped. Los tubos colocados debajo de las raíces del césped mantienen el campo de juego libre de heladas.

Un ejemplo lo encontramos en el Estadio de fútbol “Rhein Neckar Arena”, en la localidad de Sinsheim, conocida en Alemania por su “Museo del Coche y la Técnica”, y que tiene ahora una nueva atracción. El Estadio Rhein Neckar Arena, para el que se construyó expresamente la vía de acceso “Sinsheim Süd”. El estadio es el campo del equipo de fútbol TSG Hoffenheim y ha sido construido con ayudas y financiación privada.

Por último tenemos el ejemplo de la utilización del suelo radiante en grandes zonas comerciales o sistema de calefacción y refrescamiento por suelo radiante para naves industriales, como el supermercado Penny del Grupo REWE en Colonia-Bocklemünd, donde se invirtió en un centro logístico de más de 15.000 m² de superficie, aunque no es específicamente una instalación exterior. En la nave de almacén de gran superficie, sometida en algunas zonas a elevadas cargas puntuales, se ha instalado una calefacción industrial por superficies radiantes. Este rentable sistema de calefacción combina grandes exigencias al material con un rango de temperaturas, costes operativos y de inversión bajos. Las superficies que no es necesario calefactar, por ejemplo, los puntos de almacenaje y las estanterías de gran altura, que simplemente no se han tenido en cuenta al hacer el diseño y desarrollar el proyecto.

Sudamérica

Un ejemplo en el que se han aprovechado sus aguas termales naturales para instalar un sistema de calefacción por suelo radiante en la población es Copahue, una pequeña villa de la provincia de Neuquén, en Argentina. El sistema se inauguro en el año 1999 y con ello, se ha conseguido hacer el duro invierno mucho más amable para sus habitantes y visitantes. El informe de Feinmann sobre “veredas calefaccionadas” en el Sur de Argentina, criticaba estas instalaciones debido a que se alimentaban con calderas de gas. Quedando testimonio de su instalación en algunas zonas del sur del país.

¿Y en España en particular?

En nuestro país, encontramos el municipio de Salardú, que acoge la estación de esquí de Baqueira Beret, donde se ha colocado calefacción en un par de calles de la población. El objetivo de estas instalaciones es garantizar la movilidad en invierno en dos calles propensas a provocar colapsos cuando se hielan. Estas dos calles son muy transitadas en invierno (sobretodo por los esquiadores que visitan la estación de Baqueira Beret) y se provocan importantes colapsos por culpa del hielo. En especial, en la calle de Estudis que tiene una fuerte pendiente y que conecta la carretera C-28 con el acceso a Bagergue y Unha. Este sistema es muy caro, tanto en su instalación como en su mantenimiento y funcionamiento, y que por este motivo, solo se ha instalado la calefacción en lugares «concretos y determinados».

Varios estudios demuestran los grandes beneficios que conlleva la instalación de calefacción de suelo radiante para evitar catástrofes. Y su utilidad es aún mayor en aeropuertos o puentes, por ejemplo. En este sentido, otra de las aplicaciones que se está estudiando es para las pistas de aterrizaje de los aeropuertos, donde se han realizado las primeras placas de hormigón a escala real que en su interior son conductoras de electricidad para el pavimento exterior de los aeropuertos, llevadas a cabo en la Universidad del Estado de Iowa por el profesor Halil Ceylan, con el objetivo que los aviones aterricen sin problemas y que no se salgan de las pistas por el hielo.