¿Cómo funcionan las bombas de calor?

Las bombas de calor se promocionan como una opción respetuosa con el clima para mantener los hogares calientes mientras la gente busca alternativas al petróleo y al gas. DW explica los misterios detrás de ellos.

Aproximadamente la mitad de los hogares alemanes se calientan con gas natural y una cuarta parte con petróleo. A medida que el país se aleja de los combustibles fósiles ante la crisis climática, muchos buscan alternativas.

Las bombas de calor son una tecnología que está ampliamente debatida. ¿Pero cómo funcionan exactamente?

Una bomba de calor extrae calor del aire exterior, del suelo o de una fuente de agua cercana para generar calor mediante algo llamado enfriamiento evaporativo. Sabrás lo satisfactorio que es ponerse un paño frío sobre la piel cuando hay temperaturas sofocantes. Es el mismo efecto. El agua fría se evapora, se vuelve gaseosa y te enfrías.

Aquí está la ciencia detrás de esto: la transición de agua a vapor requiere mucha energía. Para cambiar de estado, las moléculas de agua extraen esa energía de su entorno, en este caso de la piel caliente. Ese proceso provoca el efecto refrescante. Por el contrario, gran parte de esta energía se libera en forma de calor al aire una vez que el agua evaporada vuelve a ser líquida.

Las bombas de calor, los frigoríficos y los aires acondicionados aprovechan estas transiciones. Los frigoríficos se enfrían por dentro y se calientan por fuera. En el caso de las bombas de calor ocurre lo contrario.

En las bombas de calor circula un refrigerante especial en un sistema de tuberías cerrado. Los refrigerantes se evaporan a temperaturas muy bajas, a veces por debajo de -50 grados Celsius (menos 58 Fahrenheit).

El calor del suelo o del aire, por ejemplo, calienta el refrigerante, que luego se evapora en el circuito. Un compresor aprieta las moléculas del gas refrigerante, aumentando aún más su temperatura. Cuando se vuelve a licuar, libera el calor extra al sistema de calefacción. Eso significa que las bombas de calor se pueden utilizar para calentar o enfriar una casa, una oficina o cualquier otro espacio interior.

Si bien existen diferentes tipos de bombas de calor, todas funcionan según el mismo principio de extraer energía térmica del medio ambiente.

Las bombas de calor de agua pueden utilizar agua subterránea o agua de ríos o lagos. Los de fuente de aire funcionan con aire normal extraído del exterior o con aire de escape caliente producido en sitios industriales o centros de datos.

Para las bombas de calor geotérmicas, las sondas se perforan a 100 metros (328 pies) o más en el suelo, dependiendo de la densidad de la roca. Cuanto más profundo está el pozo en el suelo, más caliente se vuelve.

Las bombas de calor de agua subterránea son más eficientes, pero también más caras. La variedad de fuente de aire funciona en casi cualquier lugar, pero puede ser ruidosa.

En el proceso de calefacción de un edificio, las bombas de calor pueden enfriar el agua subterránea en 4 grados o reducir la temperatura del aire a su alrededor en 10 grados.

Incluso en los fríos días de invierno hay suficiente energía térmica bajo tierra, en el aire o en el agua subterránea para calentar un edificio. En Escandinavia, por ejemplo, mucha gente calienta con bombas de calor de aire incluso durante los inviernos más duros. Estos extraen energía térmica del aire a temperaturas tan bajas como -20 grados Celsius.

Aún así, requieren más energía para funcionar en climas fríos y funcionan mejor en climas más cálidos. Las bombas de calor también están equipadas con varillas calefactoras que utilizan electricidad como respaldo.

Si bien la mayor parte de la energía se obtiene del medio ambiente, los dispositivos requieren energía adicional para hacer funcionar el motor eléctrico del compresor, las bombas y los ventiladores. En buenas condiciones, un kilovatio-hora de electricidad motriz puede generar alrededor de seis kilovatios-hora de calor. Un apartamento aislado de 80 metros cuadrados necesita menos de 1.000 kilovatios hora de electricidad al año.

Las bombas de calor son más eficientes en edificios nuevos con aislamiento, especialmente aquellos con calefacción por suelo radiante y radiadores grandes. En las casas antiguas de Alemania, las bombas de calor alimentadas por aire generan alrededor de tres kilovatios-hora de calor a partir de un kilovatio-hora de electricidad, según un estudio del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar con sede en Friburgo. En comparación, el uso de agua subterránea como fuente de energía generó, en promedio, cuatro veces más calor.

En principio, las bombas de calor pueden generar temperaturas de más de 70 grados centígrados. Esto significa que también pueden calentar casas sin aislamiento con radiadores viejos. Pero entonces el consumo de electricidad del dispositivo sería significativamente mayor.

La energía solar del tejado es más barata que la de la red eléctrica y además es respetuosa con el medio ambiente. Pero los módulos solares generan mucha menos electricidad en condiciones más frías. Por lo tanto, se necesitaría más para producir la misma cantidad de electricidad durante la temporada de calefacción de invierno. O tendrías que comprar electricidad adicional.

Las bombas modernas pueden cambiar del modo calefacción al modo refrigeración. En ese caso, la energía térmica del interior de los edificios simplemente se transfiere al aire exterior o al agua subterránea. Asimismo, los aparatos de aire acondicionado modernos también pueden calentar.

La mayoría de ellos son. Los refrigerantes químicos llamados hidrofluorocarbonos han sido tradicionalmente la opción dominante para el refrigerante utilizado en bombas de calor y sistemas de aire acondicionado. Estos son hasta 4.000 veces más dañinos para el clima que el CO2 si llegan a la atmósfera, lo que puede ocurrir por fugas o por una eliminación incorrecta.

Cada vez se venden más bombas de calor con refrigerantes más respetuosos con el clima: propano, CO2 o amoníaco. La Unión Europea está eliminando gradualmente el uso de HFC en bombas de calor y acondicionadores de aire en favor de alternativas más ecológicas.

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Este artículo fue publicado originalmente en alemán.