Bombas de calor aerotérmicas en la rehabilitación de edificios existentes: límites reales del dimensionado, por Ricardo García San José y Jorge Molina Torres
El objetivo para 2050 de emisiones neutras obliga a la sustitución de los equipos más utilizados para la producción de calor, las calderas de combustibles fósiles, por otros generadores entre los cuales las bombas de calor son los más adecuados.
Ventajas de las bombas de calor
La ventaja fundamental de las bombas de calor es que aportan más energía calorífica que la que consumen, debido a que una parte de la energía entregada se extrae previamente de la naturaleza (aire, tierra o agua), motivo por el que también tienen la consideración de renovables.
Otra característica muy importante es que son equipos que pueden producir solo frío (enfriadoras), solo calor (bombas de calor), frío o calor alternativamente (bombas de calor reversibles) y frío y calor simultáneamente (enfriadoras con recuperación, bombas de calor polivalentes, etc.).
Para su funcionamiento utilizan la electricidad, por lo que, combinadas con la generación eléctrica renovable, permiten alcanzar los objetivos de descarbonización de las instalaciones de calefacción, refrigeración y ACS de los edificios.
Por estos motivos, con frecuencia se identifica descarbonización con electrificación. Aunque hay otras soluciones que también apoyarán este objetivo general, como los biocombustibles (sólidos, líquidos o gases), la contribución básica en los edificios será su electrificación.
Limitaciones del funcionamiento de las bombas de calor
Ahora bien, como todo en la naturaleza, no todo son ventajas. En su funcionamiento, las bombas de calor tienen unos límites que es imprescindible considerar para el adecuado diseño de las instalaciones.
- Temperaturas: están limitadas en las temperaturas máximas que pueden proporcionar; estos límites a su vez dependen de las condiciones exteriores.
- Potencia y eficiencia (COP): la potencia y la eficiencia con la que la entregan varían con la temperatura exterior (siendo menores cuanto más baja sea la temperatura exterior) y con la temperatura de producción que se requiera (disminuyendo cuanto mayor sea esta temperatura).
A continuación se incluyen los gráficos que deben aportar los fabricantes de estos equipos, en los que se muestra cómo se comportan en función de las temperaturas exteriores y las de producción de agua.
En el primero se muestran las posibilidades de funcionamiento del equipo del ejemplo; las temperaturas de producción de agua se encuentran entre 25 ºC y una máxima de 70 ºC.
La unidad puede funcionar en un rango de temperaturas exteriores desde -20 ºC hasta 40 ºC.
Pero por debajo de -10 ºC la temperatura máxima de producción es inferior a 70 ºC, siendo de 60 ºC para -20 ºC.
Los dos gráficos siguientes muestran los factores de corrección (eje de ordenadas) aplicables a los valores de catálogo de la potencia entregada y del COP, en función de la temperatura exterior (eje de abscisas) y de la temperatura de producción de agua (líneas de colores).
Como ejemplo, con una bomba de calor cuyos datos de catálogo son 100 kW y un COP de 3,40 (consumo 100/3,4 = 29,4 kW), se van a calcular sus condiciones de funcionamiento en una ciudad cuyas condiciones de diseño son -3 ºC para una instalación diseñada para trabajar a 60 ºC.
Las condiciones de catálogo se corresponden con 7 ºC de temperatura exterior y 45 ºC de temperatura del agua, que en los gráficos proporcionan un factor de corrección de 1; con -3 ºC y 60 ºC se tienen:
- Potencia entregada: factor de corrección 0,82. Potencia real = 100·0,82 = 82 kW
- COP: factor de corrección 0,55. COP real = 3,40·0,55 = 1,87
- Potencia consumida: 82/1,87 = 43,85 kW
En las instalaciones con bombas de calor siempre se deben calcular las prestaciones de los equipos en las condiciones de diseño de la localidad y las de funcionamiento de la instalación. En el ejemplo anterior, si se pretendiera cubrir toda la potencia necesaria, 100 kW, la potencia de catálogo de la unidad que se seleccionase sería: 100/0,82 = 121,95 kW, que proporcionaría realmente los 100 kW necesarios.
Es por este motivo, para no sobredimensionar la bomba de calor, por lo que habitualmente se hibrida con algún otro generador de calor.
En las instalaciones de calefacción, la potencia necesaria en la instalación disminuye cuando aumenta la temperatura exterior, al contrario de lo que ocurre con la potencia entregada por las bombas de calor, que aumenta con dicha temperatura. Este detalle es muy importante para seleccionar las bombas de calor, tal como se muestra en el siguiente esquema:
Es crítica la selección de equipos con amplios rangos de modulación, compresores con variación de velocidad o con varios compresores, y generación con varios equipos en paralelo.
Asimismo, es imprescindible seleccionar emisores térmicos que trabajen a la menor temperatura posible compatible con el servicio. Este aspecto se puede controlar en nueva edificación, donde además las potencias necesarias serán menores debido al aislamiento térmico exigible por la reglamentación.
En rehabilitación, los condicionantes vienen impuestos por las instalaciones existentes.
Otros aspectos a contemplar en su instalación
Además de las limitaciones de temperatura analizadas, las bombas de calor tienen unas características que imponen mayores exigencias de instalación que las calderas a las que deben sustituir, y que han de tenerse especialmente en cuenta en su instalación:
- Mayores caudales de aire exterior, lo que obliga a seleccionar emplazamientos que permitan una correcta ventilación, siendo los más adecuados los situados en exteriores. Como referencia, son necesarios unos 300 m³/h de aire exterior por kW de potencia.
- Dimensiones y pesos superiores a los de las calderas de igual potencia, que, junto con los espacios de mantenimiento, deben considerarse para seleccionar sus emplazamientos, que serán diferentes de las salas de calderas.
- Niveles acústicos debidos a la presencia de ventiladores y compresores, que deben estudiarse adecuadamente.
- Alimentación eléctrica. En reformas de salas de calderas, la acometida disponible puede no ser suficiente, por lo que en muchos casos será necesario prever nuevas acometidas.
- Costo superior al de las calderas, del orden de cinco veces mayor.
Una rehabilitación por etapas
La solución se facilita cuando se actúa sobre la envolvente. Si se reduce de forma importante la demanda térmica, disminuyen las potencias necesarias y los emisores existentes pueden cubrir el servicio con temperaturas más bajas, acercando el edificio rehabilitado a las condiciones de la nueva edificación y facilitando una generación íntegramente con bombas de calor. Cuando la envolvente no se rehabilita, la hibridación permite avanzar de forma progresiva: la bomba de calor cubre la mayor parte posible de la energía y la caldera queda para las condiciones más exigentes.
Esta visión por etapas obliga a considerar también las necesidades futuras. Si está prevista una intervención posterior en la envolvente, la potencia de bombas de calor instalada hoy no debería definirse únicamente para la situación actual, porque la demanda futura será menor. Dimensionar correctamente significa evitar tanto la insuficiencia en condiciones reales como la sobredimensión de un equipo que trabajará la mayor parte del tiempo lejos de las condiciones para las que se seleccionó.
Conclusiones
En rehabilitación, el límite real del dimensionado de una bomba de calor aerotérmica no es un porcentaje fijo ni la potencia nominal de la antigua sala de calderas. Es el resultado conjunto de la demanda recalculada, la capacidad de los emisores a menor temperatura, la curva de regulación, las prestaciones reales del equipo con cada temperatura exterior y de producción, el horario de funcionamiento y las servidumbres físicas y eléctricas del edificio. En instalaciones sin rehabilitación de la envolvente, el criterio de diseñar la bomba de calor para cubrir entre el 25 % y el 50 % de la potencia real, manteniendo apoyo para las puntas, permite desplazar el foco desde la potencia máxima hacia la energía anual cubierta. Esa es la clave para integrar la aerotermia de forma progresiva, técnicamente viable y coherente con la futura rehabilitación del edificio.
Desde Atecyr, recomendamos la lectura del DTIE 18.09 “Descarbonización en la rehabilitación de las instalaciones de calefacción y ACS centrales en el sector residencial” para profundizar en los aspectos expuestos, fundamentales para abordar la rehabilitación de estos servicios en el sector residencial, un gran reto para el sector.
