Módulo 5: Bombas de calor aire - agua · Bombas de calor aire - agua 4 Las bombas de calor aire-agua permiten un abastecimiento térmico libre de emisiones de CO 2 en el punto de

Módulo 5: Bombas de calor aire - agua

Bombas de calor aire - agua

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INDICE

INDICE ........................................................................................................................................................................... 2

1. INTRODUCCIÓN BOMBAS DE CALOR .................................................................................................................. 3

2. CIRCUITO FRIGORÍFICO ......................................................................................................................................... 5

2.1 Fundamentos del ciclo de refrigeración ................................................................................................................. 6 2.2 Componentes del circuito frigorífico ...................................................................................................................... 9

3. TIPOLOGÍA DE PRODUCTO (DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO) .............................................................. 18

4. APLICACIONES ...................................................................................................................................................... 23

5. CONFIGURACIONES ............................................................................................................................................. 26

6. EMISORES .............................................................................................................................................................. 38

6.1 Emisores modo calor ........................................................................................................................................... 38 6.2 Emisores modo frio .............................................................................................................................................. 41

7. AHORRO DE ENERGÍA .......................................................................................................................................... 44

12 de diciembre de 2007

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1. INTRODUCCIÓN BOMBAS DE CALOR

Si seguimos las tendencias de los usuarios de equipos de climatización y la necesidad de

calentar nuestros hogares o lugares de trabajo en invierno y refrigerarlos en verano, nos lleva a

considerar equipos que ofrezcan los dos servicios anteriores en un solo aparato, hablaremos a

continuación de las bombas de calor que se instalarán en una instalación de distribución de

agua caliente o fría que ya existía o de nueva implantación.

En cuanto a tipologías de bombas de calor en sus configuraciones más sencillas y con

aplicación al servicio doméstico y comercial nos encontramos en el mercado con varios tipos

en cuanto al fluido que enfría o calienta los habitáculos del local a calefactar-enfriar:

las bombas de calor aire-aire, de gran profusión en nuestros

mercados y con elevados grados de rendimiento caracterizadas

por su fácil instalación y compatibilidad con otros sistemas de

calefacción ya instalados.

Otra tipología son las bombas de calor aire-agua, con mayores

índices de rendimiento y también compatibles con otros

sistemas anteriores de calentamiento en la vivienda, fácil

instalación y mantenimiento y con el mayor índice de confort

para sus usuarios.

Una última configuración la constituyen las bombas de calor

agua-agua que en la versión más reducida o de aplicación

doméstica también se denominan tierra-agua o geotérmicas, al

tener un circuito de agua de primario enterrado en uno o más

pozos que pueden llegar a sobrepasar los 100 metros de

profundidad, son equipos de mayores rendimientos con temperaturas de suelo

estables que funcionan independientemente de las temperaturas ambiente exteriores.

También el rendimiento y rango de temperaturas de funcionamiento exteriores son importantes

a la hora de decidirse por este tipo de bombas de calor aire-agua.


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Las bombas de calor aire-agua permiten un abastecimiento térmico libre de emisiones de CO2

en el punto de consumo, tampoco utilizan combustibles líquidos o gaseosos, por lo que no

requiere adaptarse a las condiciones limitadoras de otros generadores que utilizan estos

combustibles convencionales ni seguir pautas en la evacuación de gases de la combustión,

facilitando si cabe más su instalación e integración en un edificio.

Los niveles de ruido en el exterior también son muy reducidos.

Son estos principios de confort, eficiencia, respeto por el medio ambiente y fácil instalación los

que nos llevan a presentar generadores capaces de enfriar o calentar una estancia por medio

de un equipo compacto totalmente integrado, módulos hidráulicos interiores compatibles y

adaptables a cualquier sistema de distribución del calor o del frío con la más alta eficiencia en

la captura e interpretación de las distintas temperaturas del sistema y adaptación de la

capacidad de la bomba de calor a cualquier cambio meteorológico exterior.

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2. CIRCUITO FRIGORÍFICO

Las bombas de calor pueden integrar en un único equipo los dos servicios de refrigeración y

calefacción, utilizando un ciclo reversible que funcione como máquina térmica, que transfiera

calor de un foco frío a otro caliente y que también pueda hacer lo contrario.

El funcionamiento básico de una bomba de calor se basa en el ciclo de Carnot. Este ciclo

consiste en transmitir la energía de un foco caliente a otro más frío o viceversa. Lo

conseguiremos irremediablemente aplicando energía mecánica por medio de un compresor.

Este ciclo puede utilizarse como refrigerando (extrayendo calor de un recinto frío), o

calentando (introduciendo calor en el foco frío).

Si partimos de la expresión de conservación de la energía:

Q2 = Q1 + W

Q1, calor que se extrae del foco frío.

Q2, calor que se cede al foco caliente.

W, energía mecánica aportada.

Ya podremos definir el rendimiento de la máquina que se comporta siguiendo el Ciclo de

Carnot anteriormente citado.

El rendimiento o eficiencia estará dado por la comparación entre la energía mecánica aportada

W y la energía útil o calor extraído del foco frío Q1 (en caso de funcionamiento como

refrigeración) o Q2 (en caso de funcionamiento en calentamiento).

En funcionamiento en servicio de refrigeración, la eficiencia energética es EER (Energy

Eficiency Ratio):

EER = Energía útil / energía consumida = Q1 / W


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En funcionamiento en servicio de calefacción, la eficiencia energética o COP (Coeficiente Of

Performance) es:

COP = Energía útil / energía consumida = Q2 / W

En el caso ideal estos rendimientos dependen de las temperaturas de los focos frío (T1) y

caliente (T2), así:

EER = T1 / (T1 – T2) y COP = T2 / (T1 – T2)

Como conclusión podemos afirmar que el rendimiento de una máquina que trabaja siguiendo el

Ciclo de Carnot tendrá mejor rendimiento a medida que la diferencia de temperaturas entre el

foco frío y el caliente sea más pequeño. Las temperaturas de evaporación de un equipo de aire

acondicionado o bomba de calor son del orden de 5ºC y las temperaturas de condensación de

unos 45ºC por lo que obtendríamos rendimientos ideales o COP de hasta 8. En realidad existen

pérdidas debidas a rozamientos, pérdidas de carga del fluido refrigerante a lo largo del circuito,

etc.… que nos llevan a COP reales del 50% del ideal.

Ya tenemos una máquina térmica que puede funcionar pasando calor de un lugar a otro

aplicando una energía mecánica y que además cuenta con un rendimiento o energía útil sobre

la energía consumida muy interesante para su aplicación práctica.

2.1 Fundamentos del ciclo de refrigeración

La manera de poder conseguir este funcionamiento reversible que pueda pasar energía térmica

de un lugar a otro se basa en el aprovechamiento de un ciclo frigorífico, un gas refrigerante que

de forma continua se evapora (extrayendo calor del entorno) y en otro punto se condensa

(entregando calor al entorno). Este ciclo cerrado que se repite continuamente basa su

comportamiento en algunos principios físicos que se detallan a continuación.

Partimos del comportamiento del agua en los cambios de estado y veremos que existe una

gran cantidad de energía en los cambios de estado gas-líquido que puede ser aprovechada, la

energía o calor latente ligado siempre al cambio de gas, no al incremento de la temperatura del

fluido. El calor o energía aportada o extraída para elevar o bajar la temperatura de un fluido sin

cambio de estado físico se llama energía o calor sensible.

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Si en un circuito cerrado podemos provocar esta elevación de la temperatura utilizando la

características de los gases que aumentan su temperatura al comprimirlos, podremos elevar la

temperatura de un gas para que al enfriarse en contacto con otro fluido (aire o agua) se

condense (pase a estado líquido) y así liberar una gran cantidad de energía aprovechada para

calentar un local por ejemplo, enfriando aire o agua en elementos radiadores, fan coils o suelo

radiante. Es necesario que esta transformación de estado gaseoso a estado líquido se realice a

presión constante en un intercambiador de calor llamado en principio condensador (en

funcionamiento en servicio frío de una bomba de calor es así, es el condensador).

Ahora ya tenemos un líquido (gas que condensó y liberó energía) a baja temperatura pero que

sigue teniendo el aumento de presión que se le aplicó en el compresor. En este estado siempre

podemos hacer pasar el líquido por una válvula que reduce la sección del tubo que conduce

dicho líquido o estrangular la circulación para bajar la presión y a su salida contar con una

expansión que provoque una caída de presión muy rápida que lleve al liquido a pasar a estado

gaseoso. En este cambio de estado al evaporar el líquido necesitará una cantidad extra de

energía (calor latente de evaporación) que toma de su entrono más inmediato, así podremos

aprovechar esta circunstancia para refrigerar por ejemplo un local. Es necesario que este

proceso de evaporación se realice a presión constante intercambiando calor en el llamado

evaporador (en servicio de producción de frío en la bomba de calor se denominará así).

Por otra parte dispondremos de gas a la entrada del compresor a baja temperatura que podrá

ser nuevamente comprimido y repetir una vez más el ciclo de refrigeración.

Todo esto lo podemos representar con un circuito cerrado con las características del fluido o

gas refrigerante que progresa y se mueve por el impulso del compresor.

Sobrecalentamiento y subenfriamiento:

Con el sobrecalentamiento en el evaporador se pretende asegurarnos que no llegue

líquido al compresor, para ello se sobredimensiona el evaporador para que

permanezca más tiempo el refrigerante en su interior y vaporice en su totalidad. Si


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llegara líquido al compresor podría afectar a su funcionamiento e incluso dañarle

irremediablemente.

Con el subenfriamiento en el condensador se pretende asegurarnos que no llegue

gas a la válvula expansora, por ello se sobredimensiona el condensador para que

todo el gas pase a líquido condensado. Si llegara gas a la expansora no podría fluir

líquido en el circuito.

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2.2 Componentes del circuito frigorífico

El compresor

Su función es aumentar la presión (y la temperatura) del refrigerante. Otra función del

compresor es actuar de circulador del refrigerante por el circuito donde está encerrado.

Se debe suministrar una energía (W), normalmente eléctrica, por medio del eje de arrastre de

un motor. Existen también motores de gas conformados por turbinas o motores de combustión

interna.

Según el acoplamiento con el motor podremos clasificarlos en:

Herméticos. El conjunto motor está dentro de una carcasa hermética. Son muy

compactos y utilizados para potencias pequeñas.

Semiherméticos. El motor es exterior con el eje común. Para potencias medias

eliminan el problema de alineamientos.

Abiertos. El motor es exterior. Son muy versátiles y empleados para medias y

grandes potencias.


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También los podemos clasificar en:

Volumétricos.

o Alternativos. Con mecanismo de pistón/cigüeñal. Son perfectamente estancos y

con grandes secciones de paso de refrigerante, con poca pérdida de carga.

o De tornillo. Giran dos rotores arrastrando el refrigerante de una cámara a otra de

descarga. Son fiables en tanto que no montan muchos elementos móviles. Se

utilizan para potencias de 50.000 a 4.000.000 frig/h.

o De excéntrica o de paletas y rodillo. Basado en la rotación de un elemento móvil

de eje excéntrico en el interior de una carcasa con una conexión al lado de baja

presión y otra a la de alta. Gran continuidad en el bombeo de refrigerante.

o De espiral o Scroll. Se componen de dos espiras con el eje desplazado, girando

y arrastrando refrigerante aumentando su presión. Más silenciosos, compactos y

de mejor rendimiento frente a los alternativos.

Centrífugos. Accionados por un motor eléctrico, presentan una gran estabilidad y

continuidad de bombeo de refrigerante pero tienen baja relación de compresión, por

lo que a veces se utilizan dos etapas. Se emplean para grandes capacidades de

enfriamiento.

El refrigerante debe de estar en su totalidad en estado gaseoso, si hubiera refrigerante en

estado líquido, daría lugar a graves daños en el compresor. Se tendrán en cuenta las pérdidas

en la compresión del gas y las pérdidas de carga en la circulación del refrigerante.

En las bombas de calor y equipos domésticos y comerciales se suelen utilizar compresores

eléctricos de Scroll y excéntricos, a continuación podemos ver una comparativa e estos dos

tipos de compresores aplicados a bombas de calor y equipos de aire acondicionado:

Ambos llevan separador de partículas a la entrada.

Los Scroll aguantan mejor los golpes de líquido.

Los Scroll trasvasan más refrigerante y necesitan menos aceite en suspensión.

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Tienen más componentes mecánicos y más ruidosos que los excéntricos, además se

calientan más por lo que muchos llevan un control de temperatura.

Compresores inverter

En compresores herméticos eléctricos usados en el sector doméstico para potencias pequeñas

de refrigeración o calefacción existe una clasificación que atiende al accionamiento eléctrico del

motor del compresor que determina su rendimiento. Siguen existiendo compresores que

reciben la alimentación de red (monofásica en la mayoría de los casos y trifásica para

potencias más altas) cuando arrancan y desaparece dicha alimentación eléctrica cuando paran,

son compresores con una sola velocidad o frecuencia de giro.

En el mercado surgió un tipo de compresor que utiliza una nueva tecnología llamada “inverter”,

que basan el funcionamiento del compresor en una modulación de frecuencia de alimentación

eléctrica que permite variar su velocidad y adecuarla a la demanda de calor o frío, gestionando

la electrónica la cantidad de gas refrigerante que mueve el compresor y ahorrando

considerablemente energía de accionamiento de dicho compresor. Además se consiguen

menos arranques y paradas del compresor, condiciones de salida del aire uniformes y menores

índices de ruido al poder trabajar con velocidades reducidas en compresor y ventiladores.

Dentro de la tecnología “inverter” existen dos diferentes tecnologías de fabricación en cuanto a

materiales de fabricación del rotor y funcionamiento eléctrico.

Los “inverter AC” utilizan alimentación alterna desfasada al bobinado que envuelve al rotor

compuesto por barras conductoras obligando a seguir siempre el rotor al campo magnético

provocado por el bobinado del estator.

Los “inverter DC” crean el campo magnético por el decalado de fase que existe en el bobinado

del estator alimentándose de corriente continua, el rotor en estos motores se componen de un

material magnético que se mueve siguiendo al campo magnético del estator. Los motores

“inverter DC” tienen mejor rendimientos que los AC al tener menos rozamientos mecánicos

internos en el movimiento del rotor.


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Un equipo doméstico tipo bomba de calor aire-aire que monta un compresor “inverter” además

monta un ventilador variable para optimizar el consumo eléctrico. En los equipos tipo “inverter”

se facilitan tres datos de potencia que entrega el aparato, un valor que puede ser de

aproximadamente del 20% de la potencia nominal, el valor de la potencia nominal y el valor de

máxima potencia, aproximadamente el 130% del valor nominal.

El condensador.

Siguiendo el movimiento del gas comprimido al paso por el compresor, alta temperatura y

presión, llegamos al condensador donde se favorecerá que el gas refrigerante baje su

temperatura a presión constante e incluso condense, cediendo calor a un fluido (agua o aire)

que se hace circular por este elemento intercambiador de calor.

La cantidad de calor intercambiado depende directamente del calor latente de condensación

del refrigerante. Se trata de que todo el refrigerante pase ha estado líquido y que no baje su

temperatura. Para el refrigerante R-410 A, la presión normal de trabajo en el condensador es

de unos 26 kg/m2, y la temperatura de condensación de 40ºC.

Tipos de condensadores:

Refrigerados por agua.

o De haz multitubular. En un cilindro hueco compuesto por varios tubos por los

que se hace circular el refrigerante, que al condensar se recoge en la parte

inferior.

o De contracorriente. Se utilizan para aparatos de refrigeración pequeños y

bombas de calor.

Refrigerados por aire. Se compone de un serpentín de cobre cubierto de aletas de

aluminio refrigeradas por un ventilador externo. Son más voluminosos que los

refrigerados por agua, de menor rendimiento y con el problema de condensaciones

del fluido externo (disminuyendo la potencia de intercambio).

Evaporativos. El refrigerante se conduce por unos tubos sobre los que se arroja agua

pulverizada que evapora facilitando el enfriamiento del refrigerante.

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La válvula expansora

Su función es disminuir la presión (y la temperatura) del refrigerante. Se hace pasar al

refrigerante por una restricción, disminuyendo su presión y aumentando su volumen

bruscamente a la salida.

Parte del refrigerante líquido se evapora enfriándose a sí mismo, ya que el intercambio con el

exterior es muy pequeño. Se tratará de que la cantidad de gas de refrigerante producida sea la

mínima posible para aumentar el rendimiento del evaporador.

Los tipos de válvulas expansoras que nos podemos encontrar son:

Tipo capilar. Para equipos pequeños ya que no varían al caudal de líquido

refrigerante.

Válvula de Expansión Termostática. Son los más usados. Aseguran la ausencia de

líquido en la aspiración del compresor y fijan un recalentamiento en el evaporador.

Tienen un bulbo conectado a la salida del evaporador que regula la apertura de la

válvula. Si se calienta el bulbo, da más paso de refrigerante, para que disminuya el

vapor en el evaporador. Si se enfría el bulbo, cierra el paso, para obtener vapor del

evaporador y para que no llegue el refrigerante líquido al compresor. Esta válvula se

puede controlar por una toma de presión en la línea de aspiración (a 3 cm del bulbo),

sumando su efecto a la acción del muelle antagonista.

Electrónicas: funcionan como las anteriores pero en este caso el cierre de la válvula o

su apertura se regula por el envío de una señal electrónica a un bobinado que abre o

cierra el paso de refrigerante según las temperaturas del ciclo de refrigerante.

A la salida del expansor tendremos una mezcla de gas-líquido, efecto flash-gas, existe alguna

evaporación del refrigerante al bajar la presión y temperatura. Cuanto más líquido a la salida

del expansor mejor rendimiento tendrá posteriormente el evaporador, se tratará por tanto de

tener el mayor porcentaje (%) de líquido.

En caso de humedad en el refrigerante, se congelará la salida del expansor, obstruyendo la


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circulación. El síntoma es que el aparato, al tiempo de funcionar se para, al arrancar de nuevo

vuelve a funcionar hasta que se para nuevamente.

El evaporador

Es un intercambiador de calor entre el refrigerante y el fluido (aire o agua) que se enfría. En el

interior, el refrigerante se evapora, reacción endotérmica que necesita energía, calor, enfriando

al fluido que se hace circular por el evaporador.

La cantidad de calor intercambiado depende directamente del calor latente de evaporación del

refrigerante. Se trata de que todo el refrigerante pase a estado vapor y que no se eleve su

temperatura.

Los tipos de evaporadores que nos podemos encontrar se pueden clasificar según el fluido

empleado (aire o agua) y el tipo de alimentación:

Enfriador de agua tipo inundado. Ahora es el refrigerante el que inunda un serpentín

de agua. El nivel de refrigerante en el interior es regulado por una válvula de nivel. Se

utilizan para grandes potencias con compresores centrífugos. Debe de asegurarse el

retorno de aceite lubricante del evaporador al compresor.

Enfriador de agua tipo seco. Consta de un haz de tubos por donde circula refrigerante

que se evapora, tomando calor de agua que discurre en el interior de la carcasa. El

caudal de refrigerante es regulado por una válvula de expansión termostática.

Enfriador de aire de tipo seco. Se compone de un serpentín de cobre cubierto de

aletas de aluminio refrigeradas por aire. Constan de varios circuitos. Se debe de

prever de una bandeja que recoja los posibles condensados del aire y que éste pase

a menos de 3 m/s para no arrastrar las gotas de agua condensada. Para este tipo de

evaporadores que son los que mayoritariamente se emplean en equipos de bombas

de calor aire-aire se define el factor de by-pass que es el porcentaje de aire que no

“toca” las aletas (es del orden del 10 al 30%).

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Válvula de cuatro vías

Es fundamental conocer el funcionamiento de la válvula de 4 vías pues es el elemento que

permite conmutar el sentido de giro del gas refrigerante en el ciclo cerrado.

La válvula de cuatro vías está compuesta por un solenoide que recibe señal de la electrónica

de control. Este solenoide provoca el desplazamiento de un pistón doble que comunica la

presión del compresor al movimiento de una pieza en forma de codo, Esta pieza siempre

mantiene unido la impulsión del compresor y la aspiración (tubos centrales), en un servicio esta

impulsión la lleva al condensador (servicio de verano) o al evaporador (servicio de invierno).

Normalmente el solenoide está en reposo en posición de frío.

Es conveniente pasar de servicio calor a frío y desconectarla siempre en frío cuando pase una

temporada larga sin funcionar.

Un síntoma claro de que la válvula de 4 vías no cierra bien es que el tubo de aspiración del

compresor (tubo central de la parte inferior) esté caliente en servicio de refrigeración.

Otros componentes

En el circuito cerrado del gas refrigerante nos encontraremos una serie de elementos que se

describen a continuación que también debemos conocer y así comprender el funcionamiento

del ciclo completo real.

Filtros. Retienen las impurezas que circulan por la línea de líquido. Consisten en un tubo de

cobre de poca longitud que incluye un tamiz cónico. En instalaciones grandes, las válvulas de

control contienen filtros. En la aspiración del compresor se puede incorporar otro filtro para

evitar partículas.

Filtro deshidratante (secador). En el interior de un circuito cerrado de refrigeración el agua no

se evapora, permanece en el circuito disminuyendo el rendimiento del sistema, por lo que es


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necesario eliminar la humedad. En caso de humedad en el refrigerante, éste puede congelar en

la salida del expansor. Se disponen junto al filtro, formado por gel de sílice, sulfato de calcio, u

otra sustancia deshidratante. En los mantenimientos del sistema, en cargas y descargas de

refrigerante, se suele incorporar secadores, que pueden ser retirados posteriormente, para

restablecer el equilibrio del sistema.

Depósito acumulador de refrigerante o separador. Retienen el refrigerante en estado líquido

y deja pasar el refrigerante en estado gaseoso. Van colocados a la entrada del compresor para

evitar la inclusión de líquido.

Mirilla. Permite observar el paso de refrigerante por la línea de líquido. Si se observa la

formación de burbujas en la mirilla, indica que el nivel de refrigerante está bajo, el receptor no

almacena suficiente líquido.

Válvulas retenedoras. Su función es asegurar el paso del refrigerante en un solo sentido. Se

montan solo en bombas de calor.

Receptor. Almacena refrigerante de reserva en la línea de líquido, a la salida del condensador.

Retiene siempre una cantidad de refrigerante en su interior, por lo que no es necesario vaciar

totalmente el sistema de refrigerante del compresor.

Intercambiadores de calor. Entre la línea de líquido (antes de la válvula de exp.) y la de gas

(en la admisión, después del evaporador). Se utiliza para asegurar que el refrigerante vaya a

permanecer en su estado en las dos líneas que une térmicamente. Se utilizan para sistemas

donde el refrigerante tiene gran recorrido entre el condensador y el evaporador.

Normalmente son en contracorriente.

Presostatos. Se usan para unidades de más de 6.000 firg/h, para controlar la diferencia de

presiones en el compresor. Tiene dos capilares, uno se intercala en la línea de aspiración y

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otro en la de descarga. Paran el compresor cuando la presión de admisión es baja o la de

impulsión elevada.


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3. TIPOLOGÍA DE PRODUCTO (DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO)

Existen dos tipos de bomba de calor aire-agua dependiendo de la interconexión entre la

unidad exterior y la interior:

Ciclo partido: en este caso la conexión de las unidades exterior e interior se hace

con refrigerante, por lo que es necesario la manipulación de este.

Compactas: en este caso el gas refrigerante únicamente está en la unidad exterior,

la interconexión hidráulica entre unidades se hace con agua.

Según la tipología de la instalación se pueden encontrar módulos interiores conpara diferentes

aplicaciones:

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Módulos para trabajar en combinación con una caldera u otro generador de calor

anteriormente instalado que daría apoyo en los días más fríos de la temporada de

invierno.

En condiciones normales de funcionamiento, gracias a la modulación del compresor, la bomba

de calor produce en su totalidad el calor demandado por la instalación. Cuando el control

detecta que la bomba no suministra suficiente calor para satisfacer las necesidades térmicas,

se indica a la caldera de apoyo que suministre el calor necesario. Esta operación de apoyo de

caldera es paralela a la bomba, los dos generadores funcionan al mismo tiempo, el módulo

hidráulico mezcla las dos producciones de calor (de caldera y de la bomba) para alcanzar la

temperatura de ida deseada. Con este modo de funcionamiento se reduce al máximo el aporte

de calor a través de la caldera de apoyo que siempre tiene menor rendimiento que la misma

bomba de calor.

Cuando la temperatura exterior es inferior a -20º C la bomba de calor ya no es operativa,

entonces el 100% de la demanda de calor debe de ser cubierta por la caldera de apoyo.

Hay que tener en cuenta:

Que este módulo no incorpora vaso de expansión, por lo que se debería de mantener

el vaso de expansión de la instalación existente.

No hay necesidad de una bomba de circulación externa para asegurarse el caudal

por la caldera, la bomba incluida en el módulo es suficiente, aunque si existe ya una

bomba exterior o incluida en la caldera no es necesario retirarla.

La caldera se conecta y desconecta en función del módulo de control. El módulo

manda una señal de 230 V cuando se necesita activar la caldera. Se puede instalar

un relé que pueda abrir o cerrar el puente del termostato ambiente.

Cuando se usa este módulo, no se puede producir servicio de a.c.s. La producción de

a.c.s. puede ser realizada por una aparato externo o producida por la propia caldera

de apoyo.


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Módulo para permitir trabajar únicamente con la bomba de calor en obra nueva o

reposición de una instalación existente. Lleva incorporado una resistencia eléctrica en

su interior para apoyo.

La estrategia de control es la misma con la resistencia eléctrica que con la caldera de apoyo y

la temperatura de operación fijada en el mismo módulo. En operación normal de

funcionamiento la bomba de calor es autosuficiente para proveer toda la demanda térmica a la

instalación. En caso de no llegar a cubrir la demanda térmica, la resistencia eléctrica dará

apoyo por etapas hasta llegar a la temperatura de ida requerida. La ventaja de esta estrategia

es conseguir que la resistencia funcione el mínimo tiempo necesario optimizando el

funcionamiento de la bomba de calor en su conjunto.

Si la temperatura exterior está por debajo de -20ºC la resistencia eléctrica será quien suministre

el calor necesario a la instalación.

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Este módulo hidráulico es un completo accesorio para la distribución de frío y de calor hacia la

instalación de emisores que puede operar de forma independiente de otro generador de calor

al incorporar en su interior una resistencia de apoyo.

Cuando se usa este módulo, no se puede producir servicio de a.c.s. La producción de a.c.s.

debe ser realizada por un aparato externo.

Módulo hidráulico completo accesorio para la distribución de frío, calor y acs hacia

la instalación de emisores que puede operar de forma independiente de otro

generador de calor al incorporar en su interior una resistencia de apoyo, también

produce a.c.s.

La estrategia de control del módulo es igual a la empleada en los módulos anteriores.

Adicionalmente se incorpora una válvula de tres vías que permite conmutar entre el servicio de

calefacción/refrigeración y el servicio de a.c.s. El tanque de acumulación de a.c.s. es de doble

camisa con una resistencia de apoyo eléctrico inmersa en el mismo. La temperatura de salida

del a.c.s. es fijada en el mismo módulo hidráulico de control. La bomba de calor calentará el

agua de primario que rodea al tanque hasta alcanzar la temperatura de acumulación. Si no se

consigue obtener la temperatura de acumulación de a.c.s. configurada, la resistencia de apoyo

del tanque calentará en la fase final de calentamiento del agua acumulada. La resistencia de

apoyo del tanque se conectará en caso de funcionamiento de la bomba de calor en modo frío o

para alcanzar las temperaturas de desinfección de la bacteria legionela.


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Modulo hidráulico con capacidad de control sobre una válvula de tres vías externa

para la producción de a.c.s. con acumulador externo.

La estrategia de control de este módulo permite la producción de acs mediante una válvula de

tres vías externa y un depósito de agua caliente sanitaria igualmente externo al propio módulo.

En caso de no llegar a cubrir la demanda térmica, la resistencia eléctrica dará apoyo por etapas

hasta llegar a la temperatura de ida requerida.

Los depósitos de agua caliente sanitaria combinados con Bombas de Calor deben estar

preparados para este tipo de aplicación, esto se consigue sobredimensionado el serpentín para

ser capaz de producir el intercambio de calor, o bien hay que elegir depósitos al baño maría.

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4. APLICACIONES

Gracias a su amplio rango de temperaturas de operación: máxima temperatura de impulsión en

modo calefacción de 55° C, mínima temperatura de impulsión en modo frío de 5° C, la bomba

de calor reversible se adapta a todas las aplicaciones para climatizar una vivienda, desde

radiadores de baja temperatura para calefacción hasta unidades de aire acondicionado y

climatización (fan coils y techo-suelo refrescante).

Como punto de partida podemos apuntar las temperaturas recomendadas para trabajar en

cada una de las aplicaciones siguientes:

35°C para suelo radiante y de 18 a 23ºC para suelo refrescante.

45°C para calefacción con unidades de fan coil y de 7 a 15ºC para frío.

55°C para radiadores de baja temperatura.

45 a 55°C para la producción de agua caliente sanitaria.

Eficiencia y Modulación de potencia

Eficiencia en condiciones tipo

La bomba de calor tiene un óptimo rendimiento en todo su rango de funcionamiento y

especialmente a temperaturas de ida a calefacción de 35ºC (suelo radiante) incluso a -7ºC de

temperatura exterior, con un coeficiente de rendimiento de 3.9, de los más altos rendimientos

en bombas de calor que supera con creces otras soluciones energéticas en la vivienda como

calderas de condensación por ejemplo.

Se adjunta tabla donde se puede observar cómo varía el COP /EER en función de las

características exteriores ye interiores del sistema.


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Es muy importante trabajar con esta bomba de calor para aprovechar su alto rendimiento con

sistemas de baja temperatura para los cuales tenemos los mejores COP de rendimiento.

Por esto se recomienda en la fase de diseño proponer las temperaturas más bajas posibles del

sistema de calefacción y las más altas posibles en modo frío, para obtener el mejor

aprovechamiento del generador.

En esta fase de diseño del sistema nos puede llevar a recomendar al aumento de radiadores o

la selección de radiadores de más superficie de intercambio de calor o aptos para trabajar a las

más bajas temperaturas de ida en modo calefacción.

Pensar en instalaciones de obra nueva en sistemas de suelo radiante, aislar al máximo los

cerramientos de las viviendas, etc.…

Modulación de potencia y rendimiento estacional

La bomba de calor incorpora un compresor modulante que se adapta en todo momento a las

necesidades térmicas en todos los servicios. Si la necesidad de calor es muy alta, el compresor

trabajará a alta velocidad, si las necesidades disminuyen lo hará también la velocidad del

compresor.

Para dar una idea de la relación entre la velocidad del compresor y el rendimiento

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del sistema, sobre el COP de calefacción, a velocidad mínima (mínima potencia) este COP

puede llegar a ser de 4.5 para temperatura exterior de 35°C, mientras que sería de 3.9 si la

demanda de potencia es máxima, máxima velocidad del compresor.

Una estimación de la reducción del consumo de energía comparando una bomba de calor

modulante con otra no modulantes de alrededor del 10%. Otra ventaja de la tecnología inverter

es la reducida potencia de arranque del compresor 3 A, pues el arranque lo hace a baja

velocidad, aumentando progresivamente la velocidad del mismo compresor si las necesidades

térmicas lo requieren.

Cuando el compresor interno de la bomba varía o reduce su temperatura lo hace también el

ventilador de la unidad en el exterior, reduciendo el nivel sonoro del conjunto de la bomba de

calor, además de mejorar una vez más su rendimiento.


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5. CONFIGURACIONES

Requisitos a tener en cuenta:

1. Volumen de inercia

Para asegurar que el eventual proceso de desescarche no afecte a la instalación al

invertir el funcionamiento en invierno, el volumen total de la instalación debe de ser al

menos de 150 litros, si no fuera así necesitaríamos un tanque de inercia.

Si el tanque de inercia está conectado al circuito de refrigeración prever aislamiento

del mismo para que no aparezcan condensaciones en su superficie.

2. Modo de enfriamiento

o Los radiadores convencionales solo deben de ser usados en modo calefacción

pero no para refrigeración.

o Durante el modo frío, todas las tuberías que conducen el fluido deben de estar

aisladas para que no aparezcan condensados en su superficie y evitar

acumulaciones de agua condensada. Este fenómeno será más acuciante en

tuberías de alimentación a fan coils (al trabajar a menos temperaturas de ida)

o Si existen habitaciones húmedas (baños y cocinas) calefactadas con suelo

radiante, en servicio de frío se desconectarán del sistema, no intentaremos

refrigerar dichos locales pues nos exponemos a la aparición de condensados

superficiales en el suelo.

o En servicio de frío es obligatorio el uso de termostato ambiente.

o Si en servicio de frío una parte del circuito o todo el circuito se compone de fan

coils, debemos de desconectar el sensor de condensados.

3. Ahorros

o Los ahorros de energía que podemos obtener con una bomba de calor depende

fuertemente de las temperaturas de ida o impulsión. Cuanto más bajas sean

éstas en servicio de calefacción, y cuanto más altas en servicio de frío, más

eficiencia.

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1. Combinación con caldera

En el caso de una instalación que tiene abastecida la demanda de a.c.s. con una caldera que

además puede suministrar servicio de calefacción, el objetivo es ahorrar una parte importante

de combustible quemado por la caldera utilizando una bomba de calor aire-agua.

Se podrá convivir perfectamente con la antigua instalación de la caldera existente que seguirá

abasteciendo de a.c.s. a la instalación y una bomba de calor que utilizará la misma instalación

de radiadores que la caldera utilizaba aportando mayor eficiencia energética. Para esto se

deberá de calcular el agua de calefacción contenido en radiadores y tubería (V) para prever la

necesidad o no de un tanque de inercia de volumen en litros definido por la diferencia 150 – V,

debido a la baja inercia de este tipo de instalaciones de radiadores.

Por último se debería de unir eléctricamente la caldera con la bomba de calor de tal manera

que la bomba de calor cuando no llegue a cubrir la totalidad de la demanda de calor en el día

más frío del invierno decida que arranca la caldera en calefacción, aportando la energía que


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demanda el usuario. Esto se realiza con una salida de 220V c.a. a un relé que abre y cierra el

puente de conexión del termostato ambiente de la caldera antigua.

En este caso tenemos la situación anteriormente descrita y que se repite a continuación en

cuanto al servicio de a.c.s., pero con una instalación de suelo radiante que puede ser utilizado

para refrigeración.

Es una instalación que tiene abastecida la demanda de a.c.s. con una caldera que además

puede suministrar servicio de calefacción, el objetivo es ahorrar una parte importante de

combustible quemado por la caldera utilizando una bomba de calor aire-agua. Se podrá

convivir perfectamente con la antigua instalación de la caldera existente que seguirá

abasteciendo de a.c.s. a la instalación y una bomba de calor que utilizará la misma instalación

de suelo radiante que la caldera utilizaba aportando mayor eficiencia energética.

Por último se debería de unir eléctricamente la caldera con la bomba de calor de tal manera

que la bomba de calor cuando no llegue a cubrir la totalidad de la demanda de calor en el día

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más frío del invierno decida que arranca la caldera en cale-facción, aportando la energía que

demanda el usuario. Esto se realiza con una salida de 220V c.a. a un relé que abre y cierra el

puente de conexión del termostato ambiente de la caldera antigua.

Prever un termostato de seguridad en el tubo de ida al suelo radiante para su protección por

temperatura.

Ahora nos enfrentamos a un servicio de calefacción por radiadores y no el servicio de a.c.s.

pues éste está garantizado por un abastecimiento comunitario o por un termo eléctrico o

calentador de agua a gas de forma independiente a nuestro equipo.

Debemos dimensionar la bomba de calor para que pueda satisfacer el confort de calefacción

de la instalación en invierno pues no hay otro equipo adicional, salvo que contemos con

radiadores eléctricos o algún otro sistema de apoyo de calefacción (chimeneas, radiación

solar,…).


30

Para funcionar con los radiadores debemos de recalcular el número de elementos necesarios

para asegurarnos trabajar a la mínima temperatura de ida de calefacción con el objeto de

trabajar con el máximo rendimiento o COP de la bomba de calor.

También se deberá de calcular el agua de calefacción contenido en radiadores y tubería (V)

para prever la necesidad o no de un tanque de inercia de volumen en litros definido por la

diferencia 150 – V, debido a la baja inercia de este tipo de instalaciones de radiadores.

Para cubrir la demanda de calefacción los días más fríos del invierno la propia bomba de calor

cuenta con una resistencia de 9 kW que puede aportar grado a grado la energía necesaria a la

instalación siempre y cuando no llegue la bomba de calor.

Esta resistencia puede programarse su funcionamiento para que llegue a la potencia que

configuremos en la electrónica, no tenemos por qué contar en todos los casos con la máxima

potencia.

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Tenemos el caso anterior pero con una instalación de suelo radiante a baja temperatura, el

suministro de a.c.s. está proporcionado por otro tipo de sistema o en algún caso no es

necesario.

Al tener una instalación de suelo radiante tendremos unos rendimientos óptimos en calefacción

y además la posibilidad de trabajar con nuestra bomba de calor reversible en servicio de

refrigeración.

No sería necesario contar con tanques de inercia y sí revisar el caudal que debe de mover la

bomba de la instalación de suelo radiante.

Sí instalar un termostato de contacto en el tubo de ida al suelo radiante para protección de éste

por sobretemperaturas.






potencia.

Bomba de calor con acs externo


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En este caso el acs es suministrado por un depósito externo de acs gobernado mediante una

sonda de temperatura en el interior del mismo que hace conmutar una válvula de tres vías

externa para la producción de acs.

El serpentín de este tipo de depósito tendrá que estar sobredimensionado o calculado para

poder producir acs a una temperatura máxima de impulsión de 55ºC, o en muchos casos lo que

se utilizan son depósitos al baño maría.






potencia.

Bomba de calor con acs interno

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En los casos de tener demanda de a.c.s. y querer suministrarlo por medio de nuestra bomba de

calor, podremos optar por un modelo compacto.

Contamos con un tanque de acumulación de a.c.s. de 145 litros con apoyo de una resistencia

en primario, no insertada en el tanque, de 9 kW, con potencia configurable y limitable en el

software de la bomba de calor.




solar,…).

Para funcionar con los radiadores debemos de recalcular el número de elementos necesarios

para asegurarnos trabajar a la mínima temperatura de ida de calefacción con el objeto de

trabajar con el máximo rendimiento o COP de la bomba de calor.

También se deberá de calcular el agua de calefacción contenido en radiadores y tubería (V)

para prever la necesidad o no de un tanque de inercia de volumen en litros definido por la

diferencia 150 – V, debido a la baja inercia de este tipo de instalaciones de radiadores.





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solar,…).






refrigeración.

No sería necesario contar con tanques de inercia y sí revisar el caudal que debe de mover la

bomba de la instalación de suelo radiante así como instalar un termostato de contacto en el

tubo de ida al suelo radiante para protección de éste por sobretemperaturas.

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cuenta con una resistencia de9 kW que puede aportar grado a grado la energía necesaria a la




refrigeración.

Además tenemos una instalación de fan coils que se utilizará tanto en servicio de calefacción

como de refrigeración y que se controlará por medio de un termostato ambiente distinto al de la

instalación de suelo radiante/refrescante Debemos utilizar el módulo hidráulico de mezcla para

poder trabajar con distintas temperaturas y con mayores caudales de ida a la instalación de

suelo radiante pues dicho módulo incluye bomba adicional y válvula de tres vías de mezcla. El

propio módulo incorpora el termostato de seguridad por sobretemperatura del suelo radiante y

una válvula que habilita o no, según el servicio, el suelo radiante-refrescante.


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Al tener una instalación de fan coils tendremos unos rendimientos óptimos en calefacción y

además la posibilidad de trabajar con nuestra bomba de calor reversible en servicio de

refrigeración.

Además tenemos una instalación de radiadores que se utilizará sólo en servicio de calefacción

y que se controlará por medio de un termostato ambiente distinto al de la instalación de suelo

radiante. Debemos utilizar el módulo hidráulico de mezcla para poder trabajar con distintas

temperaturas en cada zona y con mayores caudales de ida a la instalación de suelo radiante

pues dicho módulo incluye bomba adicional y válvula de tres vías de mezcla. El propio módulo

incorpora el termostato de seguridad por sobretemperatura del suelo radiante y una salida para

trabajar o no con la instalación de radiadores.

También se deberá de calcular el agua de calefacción contenido en radiadores y tubería o en el

circuito de fancoils y tubería (V) para prever la necesidad o no de un tanque de inercia de

volumen en litros definido por la diferencia 150 – V, debido a la baja inercia de este tipo de

instalaciones.

En el caso de disponer de una instalación de captación solar a baja temperatura podemos

utilizar el aporte energético de estos captadores solares para calentar un tanque de

acumulación de agua de consumo externa a la bomba de calor, en serie se conectará el tanque

de nuestra bomba de calor.

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Con este sistema haremos en algunos casos un consumo nulo de la resistencia eléctrica de la

bomba.


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6. EMISORES

6.1 Emisores modo calor

El tipo de emisores térmicos que se deben de seleccionar deben de ser aquellos que mayor

impacto produzcan en el ahorro energético de la instalación. En una instalación reversible frío-

calor debe prestarse especial interés al sistema formado por la bomba de calor y la tipología de

emisores térmicos, ambos componentes definen la eficiencia de la instalación.

Para esto se requiere seleccionar y dimensionar cuidadosamente la instalación en su conjunto

para los dos modos de servicio.

El parámetro más importante a determinar en una instalación reversible frío-calor es la

temperatura de ida a emisores. Como premisa fundamental es fijar una temperatura de ida lo

más cercana posible a la temperatura interior de proyecto, lo más baja posible en modo

calefacción y lo más alta posible en modo refrigeración.

Cada grado que incrementemos la temperatura de ida a emisores en servicio de calefacción,

bajamos el COP de la bomba en un 3% aproximadamente.

Por ejemplo, en una instalación de bomba de calor con radia-dores dimensionados para una

temperatura de ida de 55ºC y para una temperatura exterior de +2ºC, su correspondiente COP

según gráficas será de 1,8. Para la misma instalación y condiciones exteriores de cálculo, pero

para una instalación de suelo radiante de 35ºC de temperatura de ida, el COP aumenta a un 3,

un 66% superior.

Por lo tanto una recomendación clara sobre el rendimiento del sistema de calefacción

funcionando con bomba de calor es trabajar a bajas temperaturas de ida, suelo radiante o

incrementar la superficie de radiadores en caso de instalaciones de reposición del generador

de calor. En todos los casos, dimensionar correctamente la instalación de emisores.

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Suelo radiante

Es el tipo de emisor de calor que mejor se adapta a trabajar con una

bomba de calor conservando un alto rendimiento.

A continuación exponemos las ventajas y desventajas de este tipo

de sistemas:

Unidades de Fan Coil

Los fan coil son raramente utilizados en instalaciones del sector

residencial, son más comúnmente utilizados en oficinas. Aunque son

una interesante opción para viviendas cuando se trata de refrigerar los

locales.

Las ventajas y desventajas de este tipo de emisores térmicos son:


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Radiadores

Los radiadores son los emisores por excelencia instalados en

viviendas. Proporcionan un gran confort en el modo de cale-facción al

inducir al movimiento del aire caliente por convección dentro de la

estancia sin llegarse a apreciar por parte del usuario. El grado de

confort en calefacción de un radiador es máximo, sin embargo no son

la mejor alternativa a la hora de trabajar en frío, pues su diseño no

permite el movimiento del aire como en calefacción, no consiguiendo

refrigerar la estancia a climatizar. Las ventajas y desventajas de esta solución son:

Junkers

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En caso de instalar una bomba de calor con radiadores se debe de considerar reducir siempre

las temperaturas de traba jopara optimizar el COP de la instalación en su conjunto. Esto se

puede hacer seleccionando radiadores de baja temperatura, o incrementar el número de

emisores o sobredimensionar la superficie de emisión.

Válvulas termostáticas de radiadores

Los emisores pueden estar equipados por válvulas mezcladoras o termostáticas, válvulas que

controlan el caudal de agua que llega a los emisores. Esto permite tener diferentes niveles de

temperatura en diferentes habitaciones de la vivienda.

En una instalación de bomba de calor se debe tener la precaución de no cerrar todas a la vez y

que sean compatibles con la lógica de funcionamiento de la propia bomba.

De hecho, para un óptimo funcionamiento, se requieren las siguientes condiciones:

El caudal de agua a través de la bomba de calor debe de ser continuo y de niveles

altos. Esto se consigue con elementos hidráulicos externos como una bomba de

recirculación a la caldera además de la de calefacción.

La temperatura de ida debe de ser lo más baja posible. Esta condición se puede

conseguir solo si el caudal de agua a través de los emisores es alto. Tener en cuenta

esta condición al usar válvulas termostáticas o mezcladoras en la instalación de

calefacción.

6.2 Emisores modo frio

La bomba de calor es reversible y ofrece la posibilidad de suministrar frío en la temporada de

verano. Los emisores térmicos compatibles con el funcionamiento reversible de la bomba de

calor son los suelos radiantes refrescantes y las unidades fancoils. La opción de elegir el modo

de funcionamiento en frío se hace a propuesta del usuario pues este modo está bloqueado en

la bomba de calor de serie. Si se desea funcionamiento en frío debe de ser configurado en la

puesta en marcha del sistema .Recordar que si nuestra instalación de producción de frío está

diseñada para trabajar con temperaturas por debajo de la temperatura de condensación del


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vapor de agua del aire ambiente, se necesita aislar todas las tuberías que contienen el agua de

distribución y prever la formación de condensados en fan coils y en la superficie del suelo

radiante.

Suelo refrescante

Una instalación de suelo refrescante tiene la ventaja del nulo

nivel de ruido en la operación y un alto nivel de eficiencia en la

bomba de calor, para una temperatura de ida de 18°C, y una

temperatura exterior de 35°C: el EER es de 4.0. Se recomienda

diseñar el trazado de tuberías de suelo refrescante dejando

espacios estrechos entre ellas para incrementar su rendimiento

sin tener que bajar excesivamente la temperatura en determinados puntos en el suelo, también

para homogeneizar la temperatura de de la superficie al contacto con el usuario.

Temperaturas de ida al suelo refrescante

Se debe de cuidar en la fase de diseño a qué temperatura mantendremos la superficie del

suelo refrescante y qué temperatura fijaremos en la bomba de calor de ida a la instalación. La

temperatura superficial del suelo siempre será superior a la de condensación del vapor de agua

del aire ambiente para la temperatura interior y exterior de proyecto, además de la humedad

relativa de la época del año y zona geográfica.

Habitaciones húmedas.

Los circuitos de habitaciones húmedas, como lo son cocinas y cuartos de baño, se cerrarán en

funcionamiento en servicio de refrigeración, no se climatizarán para evitar la segura aparición

de condensados en la superficie del suelo, al contar estos locales con unas humedades

relativas superiores a las de la vivienda en general.

Vigilante de condensados.

Además de poder programar la temperatura mínima de ida al suelo refrescante la bomba de

calor se puede equipar con un vigilante de aparición de condensados. Este accesorio puede

leer la humedad en la superficie del circuito de frío en la instalación. Cuando se detecta una

Junkers

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situación próxima a la aparición de condensados, el vigilante de condensación informa a la

bomba de calor.

Control habitación humedad Sensor humedad

Unidades Fan Coil

La opción de contar con fan coils como sistema de

emisores en frío es la más efectiva ante necesidades

de refrigeración del usuario de la instalación. Es una

solución en la que se debe de evaluar

cuidadosamente los consumos eléctricos de la bomba

de calor en un primer término y de cada uno de los

fan coils instalados pues montan en su interior un

ventilador. Las precauciones a tomar en la instalación de fan coils con bomba de calor serán:

Asegurarse que el volumen total de agua en la instalación sea de más de 150 litros.

Una de las unidades de fan coil al menos debe de funcionar continuamente y no

equiparla con termostato ambiente de corte.

Asegurar un caudal de agua en el circuito de fan coils suficiente y que no se corte el

caudal en ningún momento.

Desconectar el sensor de condensados en el módulo hidráulico

En modo frío, las unidades de fan coil deberían conectarse a un desagüe para

prevenir la aparición de condensados en sus intercambiadores internos


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7. AHORRO DE ENERGÍA

A continuación ponemos un ejemplo orientativo comparando costes en la obtención de la

demanda de calefacción con la bomba de calor:

Vivienda, zona centro superficie 130 m2 con un consumo de 12990 kW·h anuales

Supuestos:

El COP medio de la bomba de calor es aproximadamente de 4

Un precio supuesto de electricidad de 0.15 €/kW·h; eficiencia eléctrica de 100%

Precio del gasóleo 960 €/m3; eficiencia del 85%

Precio del gas 0.059 €/kW·h ; eficiencia de 90%

Como podemos observar se consigue un ahorro en el caso de la instalación de caldera a gas

de 364 euros/año, en el caso de una caldera de gasoil el ahorro asciende a 868 euros/año.

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Módulo 5: Bombas de calor aire - agua · Bombas de calor aire - agua 4 Las bombas de calor aire-agua permiten un abastecimiento térmico libre de emisiones de CO 2 en el punto de