Analizamos la bomba de calor inverter – Sistema VRV

Características y funcionalidades de la bomba de calor inverter. Sistema VRV.

En base al estudio de la certificación energética aportamos el presente post con información relacionada con la bomba de calor inverter ante las instalaciones para poder entender en mayor grado su funcionamiento y características. Haciendo hincapié en el tan sonado COP y EER que caracterizan a las bombas de calor inverter.

Existen diferentes alternativas para climatizar los edificios. Una de ellas es la bomba de calor capaz de proporcionar aire frío o aire caliente. En este post, intentaré explicaros qué es y cómo funciona un sistema de bomba de calor aire-aire, y posteriormente el sistema inverter y vrv.

Importante también, es comprender qué es el COP y el EER, para interpretar cuál es el equipo más eficiente, desde el punto de vista del ahorro energético.

Qué es el refrigerante

Estos sistemas, se basan en el funcionamiento de un equipo tradicional de aire acondicionado. Seguramente habréis escuchado la palabra refrigerante, y lo habréis relacionado con el aire acondicionado de un coche, una nevera, etc. Pero os preguntaréis ¿cómo se puede producir frío con un refrigerante?.

Para que lo entendáis, el refrigerante es un fluido que tiene la facilidad de absorber calor a una baja presión y temperatura, y cederlo a alta presión y alta temperatura. Para ello, necesitamos que ese fluido tenga unas características especiales.

Una de las pricipales características (entre otras muchas), es que tenga una temperatura de ebullición (cambio de líquido a gas) muy baja.  A continuación, y para que os hagáis una idea, os indico diferentes temperaturas de ebullición (a presión atmosférica):

• Agua……………………………………… 99,98ºC
• Etanol…………………………………..   78,37ºC
• Amoníaco………………………………. -33,34ºC
• Refrigerante R410A………………….. -51,58ºC

Imaginaros, que ese fluido lo «encerramos» en un circuito de tubería (cobre) y lo ponemos en contacto con el ambiente que queremos enfriar; el refrigerante absorberá el calor y se evaporará fácilmente (recordad las bajas temperaturas de ebullición), con lo cual, lo que esté en contacto con esa parte del circuito estará fría. Por lo tanto, el refrigerante está absorbiendo calor a baja temperatura y baja presión, cambiando de estado de líquido a gas. Esta parte del circuito se denomina EVAPORADOR.

Es necesario ceder el calor absorbido por el refrigerante. Para ello, del evaporador sale el gas a baja presión. Se necesita que la presión y temperatura del gas sean altas para el cambio de estado a líquido, empleándose el COMPRESOR.

Una vez que se consigue elevar la presión y temperatura, el refrigerante debe transformarse en líquido, es decir, condensar. Este cambio de estado, se realiza en el CONDENSADOR, cediendo el calor absorbido al ambiente. Para poder reiniciar el ciclo, es necesario que el refrigerante en estado líquido a alta presión, la disminuya. Para ello, previo al EVAPORADOR, se intercala una VÁLVULA DE EXPANSIÓN.

Para facilitar el proceso de evaporación y condensación, se utilizan corrientes de aire mediante ventiladores, que son los que realmente aceleran la evaporación aportando el caudal de aire necesario. De igual forma, se incluye un ventilador en el condensador para liberar el calor.

Como resumen, quedaros con la idea de que por las tuberías en circuito cerrado, discurre un REFRIGERANTE que absorbe calor en el EVAPORADOR (zona fría), y cede calor en el CONDENSADOR (zona caliente)

Si queréis profundizar más y comprender de forma más visual, os dejo unos vídeos muy interesantes, donde se explican de forma clara todos estos conceptos.

Cuáles son los sistemas de bombas de calor

Según lo visto anteriormente, podemos proporcionar aire frío a una dependencia de un edificio, donde se sitúe la unidad evaporadora.

La bomba de calor, puede revertir el ciclo refrigerante, con lo que en invierno se aporta calor (el equipo interior actuaría de unidad condensadora y el exterior de unidad evaporadora) y en verano aportaría frío (el equipo interior actuaría de unidad evaporadora y el exterior de unidad condensadora). La/s unidad/es exterior/es incorporan el compresor.

Por lo tanto, «jugando» con el concepto de unidad evaporadora y condensadora, se pueden configurar diferentes sistemas de bombas de calor:

• Equipo compacto: los antiguos modelos que se instalaban en las ventanas
• Equipo Split (partido): una unidad exterior y una unidad interior.
• Equipos Multisplit: una o varias unidades exteriores y varias unidades interiores

Me gustaría indicaros, que a todos estos sistemas, se les denomina habitualmente en programas informáticos de Certificación Energética, como SISTEMAS DE EXPANSIÓN DIRECTA unizona o multizona.

Existen multitud de modelos de unidades interiores y exteriores, para sistemas domésticos, residenciales, o edificios terciarios, lo podemos ver en este artículo sobre tipos de climatización.

Habréis visto alguna vez las unidades tipo «casette», unidades de conductos, unidades decorativas, etc; por lo tanto, existe una gran variedad de productos, para poder climatizar desde una vivienda, hasta un hospital. Os recomiendo que visitéis las web de los fabricantes, y le echéis un vistazo a los catálogos; en ellos descubriréis multitud de caractesticas técnicas y usos de los equipos.

Qué es un sistema inverter

Como hemos visto, para aumentar la temperatura y presión del gas refrigerante, es necesaria la existencia de un compresor. Este elemento tan importante, es el principal consumidor de energía eléctrica de un sistema de bomba de calor aire-aire. ¿Y qué pensaron los fabricantes para reducir el consumo energético de estos equipos?. Pues actuar sobre el funcionamiento del compresor.

En los sistemas de aire acondicionado convencionales, el control de la temperatura ambiente se realiza con un termostato que actúa parando y arrancando los equipos, y consecuentemente el compresor, con lo que los picos de consumo eléctrico son muy elevados. Se denomina sistemas todo-nada.

El sistema inverter o como muchos lo llaman, el equipo inverter, actúa sobre el compresor variando su velocidad, adecuándose a las necesidades térmicas demandadas, por lo que, mediante un variador de frecuencia, evitamos los continuos arranques y paradas. Se denominan sistemas proporcionales.

Las dos ventajas principales de un sistema inverter son:

1. – Confort.  

– Se alcanza mucho más rápido la temperatura de consigna que en un sistema convencional
– Mantiene la temperatura deseada con menor gasto y mínimos excesos de frío o calor
– Menores niveles de ruido

Podéis observar en esta gráfica, las grandes oscilaciones de temperatura en un sistema convencional (velocidad fija), mientras que en los sistemas inverter son muy pequeñas (+1/-1ºC aproximadamente)

2. – Ahorro Energético

– Evitamos las arrancadas constantes del compresor y optimizamos la producción de energía
– Menor mantenimiento debido a la reducción del desgaste mecánico del compresor.

Qué es un sistema VRV

Las iniciales del sistema VRV significan «Volumen de Refrigerante Variable», aunque el término preciso para el funcionamiento VRV sería «caudal de refrigerante variable».

A diferencia de la bomba de calor convencional, este sistema tiene la capacidad de variar el caudal de refrigerante aportado a las baterías de evaporación-condensación, controlando de esta forma más eficazmente las condiciones de temperatura de los locales a climatizar. ¿Esto nos suena no?.

Claro. Todos los sistemas denominados INVERTER son sistemas VRV, aunque publicitariamente, para el mercado doméstico y residencial se utilice el primer término.

Por lo tanto, cuando nos hablen de un sistema VRV, pensaremos en un edificio terciario con numerosas unidades exteriores e interiores. Cada unidad interior, trabajará de forma independiente de las demás, solicitando la cantidad de refrigerante que necesite. Una válvula de expansión electrónica, dejará pasar la cantidad necesaria de fluido refrigerante.

De cada unidad exterior, «colgarán» un número determinado de unidades interiores, teniendo en cuenta las limitaciones del fabricante en cuanto a las potencias térmicas y distancias de tuberías, entre otras variables.

Qué es un sistema VRV con recuperación de Calor

Como ya hemos visto anteriormente, la evaporación del fluido refrigerante para enfriar un local implica la condensación del mismo y la cesión de calor al ambiente exterior. Este calor de condensación, se suele desperdiciar hacia el exterior en sistemas aire-aire. Los sistemas con recuperación de calor permiten aprovechar ese calor hacia otro local donde se precise calefacción.

Imaginemos un edificio con fachada acristalada orientada al sur y otra orientada al norte. Supongamos  un día en que la temperatura exterior es baja, pero que a partir del mediodía sobre la fachada sur incide el sol de manera directa. Quizás, las dependencias de la fachada norte demanden calor, y las dependencias de la fachada sur (por la indicencia del sol y una ocupación elevada) demanden frío. Hasta hace pocos años, con un sistema VRV convencional, sólo tendríamos la posibilidad de aportar calor o frío.

Los sistemas VRV con recuperación de calor, nos permiten aportar calor y frío simultaneamente, «transportando» el refrigerante en estado gaseoso proveniente de las unidades evaporadoras hacia las unidades de calefacción, produciéndose allí la condensación del gas. Seguidamente el líquido condensado, retornará a las unidades evaporadoras.

Esta distribución inteligente del fluido refrigerante se realiza a través de un sofisticado sistema de control electrónico.

Por lo tanto, un sistema VRV con recuperación de calor tiene las ventajas de un sistema VRV con el añadido de que el calor se puede transportar de una sala a otra sin desperdiciarlo.

Qué es el COP en el EER

El COP y el EER de una bomba de calor, nos van a indicar las eficacias de los equipos trabajando en calor o en frío respectivamente.

Las energías puestas en juego son la potencia eléctrica que consume el compresor (W), la potencia calorífica que cede el condensador (Qc) y la potencia calorífica que absorbe el evaporador (Qf). El principio de conservación de la energía exige que:

Si consideramos que el objetivo es proporcionar calor, la energía útil de la bomba de calor es Qc. La energía que emplearemos para producir Qc es W. Así la eficacia en calor de esta máquina sería:

Observamos que hemos llamado COP a la eficacia de la bomba de calor. Las siglas COP, son las iniciales en inglés «Coeficient of Performance», que puede traducirse por coeficiente de funcionamiento.

Imaginemos que el COP de una bomba de calor sea de 3,5. Esto quiere decir, que cada kWh eléctrico se transforma en 3,5 kWh de calor. Una estufa eléctrica, por ejemplo, transforma 1 kWh eléctrico en 1 kWh de calor. Fijaros, por tanto, en la eficacia de las bombas de calor.

De igual forma, si consideramos que el objetivo es proporcionar frío, el efecto útil es el calor extraído del foco frío.

Aunque en la expresión, aparece como COP, en realidad se denomina EER (Energy Efficiency Ratio), y siempre es menor al COP en calor.

Por lo tanto, con estos dos valores, nos haremos una idea de la eficiencia de la bomba de calor que estamos estudiando. A continuación, os muestro unas gráficas del etiquetado de los equipos de aire acondicionado según el COP y EER.

Cuál sería la conclusión

Actualmente, como hemos visto, se  dispone de unos sistemas de climatización Inverter y VRV, muy avanzados, en los que la electrónica ha hecho de estos equipos unos sistemas muy eficientes y con enormes ventajas, incluso con la posibilidad de la recuperación de calor, lo que los hace muy competitivos desde el punto de vista del ahorro energético. Por ello, son sistemas a tener muy en cuenta, a la hora de climatizar cualquier tipo de edificio.

Artículo elaborado por Paulino Rivas García (Ingeniero Técnico Industrial – Ingeniero de Instalaciones / Eficiencia Energética) Propietario de https://www.instalacionesyeficienciaenergetica.com/ en colaboración con OVACEN.