El anti-frigorífico: ¿Cómo funciona una bomba de calor?
Introducción: La estrella de la climatización
Las bombas de calor han aparecido repetidamente en los medios de comunicación en los últimos años y son especialmente interesantes para los propietarios de viviendas. Las bombas de calor modernas deben ser eficientes, silenciosas y, sobre todo, sostenibles.
Cifras impresionantes
- Más del 70% de todos los nuevos proyectos de construcción en Alemania (2023) prevén una bomba de calor como fuente de calefacción principal
- Se espera que la facturación mundial alcance los 70.000 millones de dólares en 2024
- El principio de funcionamiento se descubrió ya en el siglo XVII
- El primer suelo radiante con bomba de calor se instaló en 1968
¿Por qué el auge?
Los factores impulsores de las bombas de calor son:
- Altos precios de la energía para combustibles fósiles
- Creciente conciencia medioambiental
- Avances técnicos
- La combinación con energía solar permite una calefacción neutra en CO2
Bomba de calor y frigorífico: Parientes cercanos
Las bombas de calor y los frigoríficos son en realidad parientes cercanos – casi como hermanos. ¿Por qué se parecen tanto estos aparatos a pesar de haber sido desarrollados para tareas completamente opuestas?
A primera vista, ambos aparatos parecen realizar tareas opuestas – pero un vistazo bajo el capó revela similitudes sorprendentes:
| Aparato | Absorbe calor de | Cede calor a |
|---|---|---|
| Frigorífico | Interior | Ambiente (parte trasera) |
| Bomba de calor | Ambiente | Interior (calefacción) |
¡El principio de funcionamiento es idéntico – solo el objetivo está invertido!
Fundamentos físicos
Para comprender las bombas de calor, primero debemos aclarar dos conceptos:
- Estados de agregación
- Transferencia de calor
La física de los estados de agregación
Sólido, líquido y gaseoso – estos tres estados de agregación están omnipresentes. Pero, ¿qué es exactamente un estado de agregación?
Definición: El estado actual o la forma de aparición de la materia, determinado por el movimiento de las partículas.
Ley natural fundamental: A mayor temperatura, las partículas se mueven más rápido y con más fuerza.
Las propiedades de los tres estados de agregación difieren fundamentalmente:
| Estado de agregación | Movimiento de partículas | Estructura |
|---|---|---|
| Sólido | Vibran en su lugar | Estructura ordenada |
| Líquido | Se mueven, permanecen unidas | Parcialmente ordenado |
| Gaseoso | Se mueven libremente | Sin estructura |
Importante: La transición de un estado a otro requiere absorción o cesión de energía. ¡Exactamente esto aprovecha la bomba de calor!
Los dos principios de la termodinámica
La ciencia del calor – la termodinámica – tiene dos reglas fundamentales:
Primer principio: Conservación de la energía
La energía no puede crearse de la nada ni destruirse. Solo puede transformarse.
Ejemplos:
- Energía eléctrica → Calor (calefacción eléctrica)
- Energía química → Calor (fuego)
Segundo principio: Dirección del calor
El calor siempre fluye de caliente a frío.
La naturaleza siempre intenta alcanzar un equilibrio energético.
Ejemplo chimenea: El calor abandona la chimenea caliente y calienta la habitación fría – nunca al revés.
Los tres tipos de transferencia de calor
El calor puede pasar de un lugar a otro de diversas maneras:
| Tipo | Descripción | Ejemplo |
|---|---|---|
| Conducción | Contacto directo entre dos materiales | Mano sobre el radiador |
| Convección | Transporte de calor por gases/líquidos en movimiento | El aire caliente sube |
| Radiación | Ondas electromagnéticas | Calor del sol |
Conducción
Las partículas más rápidas del material más caliente chocan con las partículas más lentas del más frío. Así se transfiere el calor por contacto directo.
Convección
El aire caliente tiene menor densidad y sube. Transporta el calor consigo a otro lugar.
Ciclo:
- El aire se calienta → La densidad disminuye → Sube
- Arriba, el aire se enfría → La densidad aumenta → Desciende
- Abajo se calienta de nuevo → El ciclo se cierra
Radiación térmica
Ondas electromagnéticas en el rango infrarrojo. No necesita medio de transmisión – por eso el calor del sol nos alcanza a través del vacío del espacio.
El principio de funcionamiento de la bomba de calor
La bomba de calor "bombea" calor de un lugar a otro – igual que una bomba de agua transporta agua.
La idea básica
La bomba de calor:
- Extrae calor del ambiente (¡incluso del aire frío!)
- Comprime este calor a un nivel de temperatura más alto
- Cede el calor al sistema de calefacción
Pero, ¿cómo se obtiene calor del aire frío?
El secreto está en el refrigerante – un líquido especial que se evapora a temperaturas muy bajas y al hacerlo absorbe calor.
El ciclo en cuatro fases
Fase 1: Evaporación (absorción de calor)
- El refrigerante líquido fluye a través del evaporador (intercambiador de calor)
- El aire ambiente es aspirado por un ventilador
- Incluso el aire frío contiene energía térmica
- El refrigerante absorbe este calor y se evapora (se vuelve gaseoso)
Fase 2: Compresión (aumento de temperatura)
- El refrigerante gaseoso llega al compresor
- El compresor comprime mecánicamente el gas
- Por la compresión aumenta la presión y con ella la temperatura
- El refrigerante tiene ahora una temperatura alta y aprovechable
Fase 3: Condensación (cesión de calor)
- El gas caliente y comprimido fluye al condensador (segundo intercambiador de calor)
- El calor se transfiere al agua de calefacción
- El refrigerante se condensa (vuelve a estado líquido)
- El agua calentada fluye al suelo radiante o a los radiadores
Fase 4: Expansión (reducción de presión)
- El refrigerante líquido todavía tiene presión elevada
- La válvula de expansión libera la presión
- La presión disminuye → La temperatura disminuye
- El refrigerante vuelve a su estado inicial
¡Entonces el ciclo comienza de nuevo!
Resumen de las fases
Las cuatro fases del ciclo de la bomba de calor se pueden resumir de forma clara:
| Fase | Componente | Proceso | Estado de agregación |
|---|---|---|---|
| 1 | Evaporador | Absorción de calor | Líquido → Gaseoso |
| 2 | Compresor | Aumento de presión | Gaseoso (caliente) |
| 3 | Condensador | Cesión de calor | Gaseoso → Líquido |
| 4 | Válvula de expansión | Reducción de presión | Líquido (frío) |
¡Sin contradicción con la física!
A primera vista, la bomba de calor parece violar el segundo principio de la termodinámica: El calor fluye de frío (aire exterior) a caliente (calefacción).
La solución: Se emplea energía (corriente eléctrica para el compresor) para invertir el flujo natural de calor. ¡El sistema en conjunto sigue las leyes de la naturaleza!
El truco
- El refrigerante está más frío que el aire exterior → El calor fluye hacia dentro (físicamente correcto)
- Mediante la compresión, el refrigerante queda más caliente que el agua de calefacción → El calor fluye hacia fuera (físicamente correcto)
La bomba de calor no crea energía de la nada – ¡solo la transporta y transforma de forma muy ingeniosa!
Ventajas y desventajas de las bombas de calor
Ventajas
Las bombas de calor ofrecen numerosas ventajas frente a los sistemas de calefacción convencionales:
| Ventaja | Explicación |
|---|---|
| Alta eficiencia | De 1 kWh de electricidad se obtienen 3–5 kWh de calor |
| Respetuosa con el medio ambiente | Sin emisiones directas de CO2 |
| Bajos costes de funcionamiento | Más económica que gasóleo o gas |
| Larga vida útil | 15–25 años |
| Bajo mantenimiento | Sin combustión = poco desgaste |
| Sin almacén de combustible | No necesita depósito de gasóleo ni conexión de gas |
| Subvenciones | Ayudas estatales disponibles |
Desventajas
A pesar de las muchas características positivas, hay aspectos que deben considerarse:
| Desventaja | Explicación |
|---|---|
| Alto coste de adquisición | 10.000–25.000 € según el tipo |
| Dependencia de electricidad | Necesita corriente eléctrica |
| La eficiencia disminuye con el frío | Menos eficiente a temperaturas muy bajas |
| Emisión de ruido | La unidad exterior puede ser audible |
| Temperaturas de impulsión bajas | No apta para todos los sistemas de calefacción |
| Necesidad de espacio | Requiere unidad exterior o trabajos de excavación |
Conclusión
Resumen: Las bombas de calor utilizan física ingeniosa para extraer calor del ambiente y elevarlo a un nivel aprovechable. El ciclo de evaporación, compresión, condensación y expansión permite obtener calor para calefacción incluso del aire frío del invierno.
Que componentes trabajan juntos exactamente, lo descubrira en el articulo Los componentes: Intercambiador de calor, compresor y valvula de expansion.
La serie completa de artículos sobre bombas de calor
- El anti-frigorífico: ¿Cómo funciona una bomba de calor? – Está aquí
- Los componentes: Intercambiador de calor, compresor y válvula de expansión – Componentes
- Indicadores clave y dimensionamiento de bombas de calor – COP, SPF y más
- Modos de funcionamiento: Monovalente, bivalente e híbrido – Modos de funcionamiento
- Tipos de bombas de calor y el tándem perfecto con instalaciones solares – Aire-agua, tierra-agua y solar
Fuentes
- DESTATIS: Wärmepumpen in Neubauten 2023
- Mordor Intelligence: Heat Pumps Market
- Heizung.de: Geschichte der Wärmepumpe
- LEIFIphysik: Wärmetransport
- Chemie.de: Thermodynamik
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