Una bomba de calor es esencialmente un refrigerador que aprovecha el calor cedido en el condensador para calentar un espacio, actuando como sistema de calefacción. Se llama «bomba» porque transfiere calor desde una fuente fría hacia una caliente, contrarrestando la transferencia natural dictada por el segundo principio de la termodinámica.
Además, la bomba de calor es reversible:
- En invierno, cede calor al aire del interior para calentar un espacio.
- En verano, actúa como refrigerador, absorbiendo calor del interior y cediéndolo al exterior.
Funcionamiento
En una bomba de calor interesa calcular el trabajo requerido no para extraer el calor del foco frío (QcQ_cQc), sino para cederlo al foco caliente (QhQ_hQh). La relación energética fundamental es:Qh=Qc+WQ_h = Q_c + WQh=Qc+W
Donde:
- QhQ_hQh: Calor cedido al foco caliente (p. ej., la habitación).
- QcQ_cQc: Calor extraído del foco frío (p. ej., el aire exterior).
- WWW: Trabajo realizado por el compresor.
Componentes principales de la bomba de calor
- Evaporador: Absorbe calor QcQ_cQc de la fuente fría, generalmente del aire exterior o del suelo.
- Compresor: Realiza el trabajo WWW para comprimir el fluido y aumentar su temperatura.
- Condensador: Cede calor QhQ_hQh al aire o agua en el espacio a calentar.
- Válvula de expansión: Reduce la presión y temperatura del fluido para completar el ciclo.
- Válvula reversible: Permite invertir el ciclo para operar como bomba de calor o refrigerador.
Modo calefacción y refrigeración
- Modo calefacción: El calor QhQ_hQh se transfiere al foco caliente (p. ej., el interior de una habitación).
- Modo refrigeración: El calor QcQ_cQc se extrae del interior y se cede al foco caliente exterior.
Coeficiente de Rendimiento (COP) de la Bomba de Calor
El COP de calefacción mide la eficiencia energética al calentar y se define como la relación entre el calor cedido al foco caliente (QhQ_hQh) y el trabajo realizado (WWW):COPcalefaccioˊn=QhWCOP_{calefacción} = \frac{Q_h}{W}COPcalefaccioˊn=WQh
Utilizando la relación Qh=Qc+WQ_h = Q_c + WQh=Qc+W, también puede expresarse como:COPcalefaccioˊn=Qc+WW=1+QcWCOP_{calefacción} = \frac{Q_c + W}{W} = 1 + \frac{Q_c}{W}COPcalefaccioˊn=WQc+W=1+WQc
El COP de refrigeración, por otro lado, se calcula como:COPrefrigeracioˊn=QcWCOP_{refrigeración} = \frac{Q_c}{W}COPrefrigeracioˊn=WQc
Dependencia del COP
El COP depende de las temperaturas de operación:COPcalefaccioˊn=ThTh−TcCOP_{calefacción} = \frac{T_h}{T_h – T_c}COPcalefaccioˊn=Th−TcTh COPrefrigeracioˊn=TcTh−TcCOP_{refrigeración} = \frac{T_c}{T_h – T_c}COPrefrigeracioˊn=Th−TcTc
Donde:
- ThT_hTh: Temperatura del foco caliente.
- TcT_cTc: Temperatura del foco frío.
Un menor diferencial de temperaturas (Th−TcT_h – T_cTh−Tc) incrementa el COP, haciendo más eficiente la bomba de calor. Sin embargo, en climas muy fríos, el rendimiento puede disminuir, ya que extraer calor del ambiente se vuelve más difícil.
Aplicaciones
- Calefacción de espacios: En invierno, transfiere calor del aire o suelo al interior de los edificios.
- Refrigeración: En verano, funciona como un sistema de aire acondicionado.
- Sistemas geotérmicos: Usan el suelo como fuente de calor, proporcionando mayor estabilidad térmica y eficiencia.
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