Calefacción por aerotermia - Funcionamiento y precios
- Agrade Biomasa
- 17 sept 2022
- 12 Min. de lectura
El siguiente artículo ha sido escrito por Alejandro San Vicente en caloryfrio.com. El artículo original aquí
Todo el mundo a estas alturas ya ha oído algo acerca de las máquinas de aerotermia para calefacción y agua caliente. Es evidente que se trata de una tecnología de presente y que tiene un excelente futuro con todas las miradas puestas en la descarbonización total europea para el año 2050.
Pero ¿Qué es y cómo funciona la calefacción por aerotermia? ¿Qué tipos de instalación de aerotermia podemos elegir? ¿Cuánto nos va a costar y en cuánto tiempo vamos a amortizar esta inversión? Te lo explicamos:
La aerotermia es una tecnología basada en el ciclo de Carnot de las máquinas convencionales de aire acondicionado. Sin embargo, estas máquinas en la actualidad tienen mucho mayor rendimiento energético y, además, no sólo proporcionan frío, sino también calor gracias a una válvula de 4 vías capaz de invertir el ciclo frigorífico.
La bomba de calor aerotérmica no funciona generando calor mediante una reacción química exotérmica como los procesos convencionales de calefacción basados en combustión (calderas de gas, gasoil, propano) sino que transporta calor aprovechando el cambio de fase líquido-gas de un refrigerante (habitualmente R410A, R32…)
Su propia denominación define su modo de funcionamiento ya que, la bomba de calor de aerotermia bombea (transporta) calor extrayéndolo del aire para depositarlo en otro foco. Esa energía puede ser extraída del exterior para cederla al interior de la vivienda (modo calefacción) o del interior para expulsarla finalmente al exterior (modo refrigeración).
En el modo calefacción, la unidad evaporadora (situada en el exterior) extrae algo de energía de calor del ambiente exterior que, por muy frío que se encuentre, siempre está por encima del -273K (0 absoluto, cuerpo sin energía) para transportarlo a la unidad interior donde lo cede.
Eso sí, el rendimiento de la máquina en este proceso no siempre es el mismo ya que cuanto más frío se encuentre el foco exterior más le cuesta obtener calor del aire.
COP y Rendimiento medio estacional (SCOP)
Las bombas aerotérmicas son máquinas que van directamente enchufadas a la instalación eléctrica convencional y tienen un consumo muy bajo en relación con la energía térmica que proporcionan.
Su principal elemento de consumo eléctrico es el compresor (el resto es electrónica) y se ha avanzado mucho en su desarrollo de modo que actualmente se consiguen grandes rendimientos energéticos finales. No es difícil encontrar en el mercado bombas de calor aerotérmicas que pueden conseguir 5-6kWh de energía térmica aportando tan sólo 1kWh al compresor (rendimiento de 500-600%).
Por otra parte, las bombas de calor trabajan con una temperatura de impulsión óptima en modo calefacción de 30-50ºC a diferencia de las calderas convencionales que suelen trabajar en el rango 60-80ºC. De esta manera, la necesidad de aportar energía para conseguir estas temperaturas ya es, de base, mucho menor.
En modo calefacción, el rendimiento de una bomba de calor viene definido por su valor medio estacional SCOP que se compone, a su vez, de varios rendimientos parciales para distintas configuraciones de carga, temperaturas de trabajo y exteriores denominados COP.
Rendimientos COP nominales en diferentes modos de trabajo
Normalmente, el valor que se utiliza como COP nominal es el primero de la tabla para una temperatura exterior de 7ºC y una impulsión a 35ºC que puede ser perfecta para una instalación de calefacción por suelo radiante. En esas circunstancias el valor del COP para la máquina de la tabla sería de 4,02.
Sin embargo, las condiciones meteorológicas externas no son estables y pueden variar y como se puede observar en la tabla para una temperatura exterior de -7ºC el COP se reduce hasta 2.49, en el límite de lo que se considera energía renovable para una bomba de calor de aerotermia (rendimiento mínimo= 2,50).
Por tanto, dependiendo de la selección de la temperatura de impulsión (35-45-55ºC) y de la temperatura exterior (climas fríos, templados o cálido) el rendimiento medio estacional de la máquina (SCOP) del ejemplo podría ser cercano al 4 o mucho más bajo cercano al 2. Una máquina con los parámetros de la tabla anterior, trabajando a 45ºC (suelo radiante) en un ambiente frío (entre -7ºC y 7ºC de forma habitual) podría tener un rendimiento medio estacional entre 2 y 3.27. Por ejemplo 3 (un 300%).
El equivalente para el rendimiento de calefacción COP-SCOP en el modo de refrigeración es el EER-SEER.
Es por esta razón que las bombas de calor aerotérmicas funcionan mejor en ambientes templados, y así incluso vienen etiquetadas, diferenciando 3 tipos de climas:
Atlántico Norte
Continental
Mediterráneo
Ejemplo de etiqueta energética bomba de calor para calefacción y SCOP
Tipos de instalaciones
Conocida la máquina generadora del calor, existen varias opciones de diseñar una instalación de calefacción con esta tecnología, en función principalmente del método de intercambio de calor secundario:
Calefacción por bomba de calor aire-agua
Calefacción por aire acondicionado aire-aire
Normalmente, en el argot actual de aerotermia se suele utilizar el término bombas de calor para el intercambio aire-agua y el de aire acondicionado para el intercambio aire-aire convencional.
Hay que recordar también que, aunque en este artículo sólo se habla de calefacción, es muy habitual que la misma bomba de calor se utilice para proporcionar también el agua caliente sanitaria y la demanda de refrigeración.
Calefacción con suelo radiante con bomba de calor aire-agua
Se podría decir que la combinación de suelo radiante con bombas de calor aerotérmicas es perfecta ya que se combina el confort térmico que proporciona el suelo radiante con la eficiencia energética máxima de la aerotermia.
La configuración básica del sistema de suelo radiante por aerotermia consiste en la impulsión de agua a baja temperatura (en torno a los 35-45ºC) a través de circuitos de tuberías ocultados por una capa de mortero de cemento sobre el que se coloca un pavimento final que puede ser de tipo cerámico, piedra, suelo laminado de madera, etc...
El mortero absorbe el calor de las tuberías y lo cede al pavimento superior que, por último, transmite esta energía hacia las paredes y techo de la habitación mediante radiación y en menor grado por convección natural. Dado que el mecanismo principal de transmisión de calor es por radiación, la tecnología ha recibido el nombre comercial de suelo radiante.
El suelo radiante es uno de los sistemas de calefacción más confortable ya que el calor se reparte de forma uniforme a través de toda la vivienda, mantiene un óptimo perfil de gradientes de temperaturas, reduce la inercia térmica del edificio y reduce las corrientes de aire evitando el flujo brusco por corrientes convectivas. Además, combinado con aerotermia, proporciona un elevado rendimiento energético consiguiendo importantes ahorros de energía.
Pero también genera otras ventajas como la total libertad de espacio al no existir elementos emisores visibles y que prácticamente no genera ruido. Además, en verano, se puede utilizar como suelo refrescante invirtiendo el ciclo de la bomba de calor.
Sin duda, en climas fríos y con demanda importante de calefacción, está opción es la más aconsejada.
Calefacción con radiadores de baja temperatura con bomba de calor aire-agua
Se trata de un sistema similar al anterior, pero sustituyendo el pavimento radiante por radiadores de baja temperatura. Son equipos muy similares a los radiadores convencionales pero diseñados para ofrecer las mismas prestaciones con temperaturas de agua inferiores (en torno a 45-55ºC en vez de los 70-80ºC de los clásicos).
Suelen ser más grandes (o anchos) que los convencionales ya que trabajan a menor temperatura y, por tanto, necesitan mayor superficie de radiación. Además, no pueden funcionar nunca en modo refrigeración.
Pueden ser una buena alternativa ya que la instalación es más barata o cuando el suelo radiante es imposible de ejecutar debido a que la gran obra que hay que realizar.
Calefacción con fancoils con bomba de calor aire-agua
Para climas más templados, la inversión en un suelo radiante quizá no sea tan necesaria ya que la demanda de calefacción no es muy alta. En este caso, la calefacción por fancoil, es probablemente, la mejor opción.
Un fancoil (ventiloconvector) es un equipo que consta de un ventilador, un intercambiador de calor y un filtro que, en combinación con sistemas como la aerotermia, puede funcionar calentando o refrescando el ambiente.
Al fancoil le llegan, generalmente, dos tuberías de agua (impulsión y retorno) procedentes de la bomba de calor y en su interior realiza un intercambio de calor con haciendo pasar el aire.
Presentan un diseño muy compacto por lo que no ocupan demasiado espacio (se suelen poner en el interior de falsos techos o de forma mural como los radiadores) y son una alternativa a tener en cuenta tanto en proyectos de climatización residencial como en comercios y otras instalaciones terciarias.
Además, también permite realizar una instalación por conductos derivados desde el propio fancoil a varias estancias introduciendo el aire mediante rejillas.
Calefacción por aire acondicionado aire-aire
La calefacción por aire acondicionado aire-aire es la instalación convencional de una máquina de aire acondicionado. En modo calefacción estos equipos toman el calor del aire exterior para cederlo de forma directa al aire interior.
No transportan agua como las anteriores, sino que utilizan las conexiones frigoríficas de refrigerante para transportar el calor desde la máquina exterior hasta la máquina interior que se sitúa en la estancia que se quiere climatizar.
Ambos intercambios (exterior e interior) se realizan por medio del aire que, impulsado por ventiladores, atraviesa los dos intercambiadores de calor de tubos aleteados denominados baterías, por los que circula el gas refrigerante que transporta el calor a lo largo del circuito.
En general, la calefacción por intercambio de aire (fancoils o aire acondicionado), suele ser algo menos confortable y eficiente que el suelo radiante ya que el calor emitido desde el techo/pared tiene a subir al ser más ligero generando menos uniformidad y más pérdidas de energía.
Pero en instalaciones con poca demanda térmica puede ser una opción bastante interesante por su menor coste y para poder aprovecharlo posteriormente en el modo refrigeración.
Tipos de máquinas aerotérmicas aire-agua
Las máquinas aerotérmicas aire-agua son las que se suelen instalar mayoritariamente en la actualidad para sistemas de calefacción ya que proporcionan fundamentalmente un mayor confort, sobre todo cuando hay bastante demanda térmica.
Dentro de estas máquinas se pueden diferenciar dos tipologías distintas:
Máquinas bibloc
Máquinas monobloc
Máquinas Bibloc
Los equipos de aerotermia denominados bibloc se componen de dos partes:
Una unidad exterior (que incluye ventilador, compresor, evaporador)
Una unidad interior con el intercambiador aire-agua (hidrokit y cuando sea necesario, el acumulador de ACS).
De esta manera, siempre será necesario disponer de un espacio en el interior de la vivienda para este equipo.
Siempre necesita instalar conexiones frigoríficas por el interior de la vivienda, ya que se debe conectar la máquina exterior con la interior mediante tubería de refrigerante.
Máquinas Monobloc
Los sistemas monobloc sólo tienen una unidad exterior dónde se integra la bomba de calor y el hidrokit. Si se requiere de un acumulador, este iría de manera independiente.
La principal ventaja es, por tanto, que no ocupa espacio en el interior de la vivienda, y que, al no necesitar conexiones frigoríficas, su instalación es mucho más sencilla.
En este caso, el agua procede directamente de la unidad exterior, donde la bomba de calor aire-agua lleva adelante el proceso de transferencia de energía ambiental al circuito hidráulico que se encuentra dentro del módulo exterior.
En general, también su precio es menor.
Instalación de equipos en cascada
En este tipo de máquinas de aerotermia las potencias máximas que encontramos en el mercado suelen ser de 15-18KW. Para instalaciones que requieran de una mayor potencia, por ejemplo en edificios de uso terciario (restaurantes, hoteles...) o residencias de varios pisos, se pueden instalar máquinas en cascada, multiplicando así la potencia final de la instalación.
Cambio de calefacción de caldera de gas natural por aerotermia: comparativa y coste
Para instalaciones nuevas o rehabilitaciones integrales, la combinación aerotermia y suelo radiante es imbatible en confort y rendimiento energético. La sinergia con instalaciones fotovoltaicas que reduzcan aún más el consumo eléctrico es, además, un extra, perfectamente viable en la actualidad.
Sin embargo, para rehabilitaciones pequeñas como la sustitución de calderas, la aerotermia se encuentra con un problema que se debe solventar y que es el rango de las temperaturas de trabajo. En general en España, el equipo más habitual para calefacción ha sido históricamente la caldera de gas natural/gasoil con radiadores trabajando a 70-80ºC.
Las bombas de calor aerotérmicas se caracterizan por su gran rendimiento energético. Son capaces de producir entre 4-5 veces más energía térmica por kWh de energía primaria que cualquier equipo de combustión convencional. Además, tienen un comportamiento mucho más verde que estas, ya que todo lo que supere un rendimiento medio mayor que 2.5 se considera energía renovable. Sin embargo, la aerotermia baja mucho su rendimiento por encima de 55ºC y el suelo radiante trabaja de forma óptima entre 35-45ºC.
Pero la diferencia de rendimiento energético con respecto a las calderas es muy importante. Mientras que la caldera de gas difícilmente mantendrá un rendimiento cercano al 95-98%, la bomba de calor puede disponer de un rendimiento medio estacional del 260-350% de forma que el consumo de energía final (la que se paga en la factura, bien gas, bien electricidad) puede reducirse sin problemas en un 50%.
Por ejemplo, para una demanda de 10.000 kWh/año de calefacción la energía final necesaria es de 10.869 kWh de gas para una caldera de gas natural con un rendimiento medio del 92% y de 3.333 kWh para una bomba de calor aerotérmica con un SCOP de 3.
En principio todo apunta, por tanto, a que la aerotermia para calefacción va a ser la tecnología que va a sustituir a la gran mayoría de los equipos de combustión (gasoil, gas natural) porque son más limpios (no tienen emisión de gases), mucho más eficientes y cumplen con todas las exigencias normativas de la Unión Europea (Código Técnico de la Edificación incluido).
En instalaciones nuevas no hay ninguna duda de que las instalaciones de calefacción van a ser principalmente de aerotermia, bien por suelo radiante (sobre todo en climas fríos con bastante demanda de calefacción), bien por fancoils (para climas más templados).
En una valoración aproximada, para un piso de 100m2 que quiera realizar una instalación de calefacción por agua con caldera de gas o con aerotermia y suelo radiante, los precios actuales de mercado son parecidos a los siguientes:
Si se toma como referencia los precios actuales de la energía para el kWh de electricidad (0.18€/kWh) y de gas (0.15€/kWh) en el mercado libre (Julio 2022) y un consumo medio anual de unos 10.000 kWh de energía se tendrían los siguientes gastos anuales en facturas, contemplando rendimientos medios de 92% para calderas y 300% para la aerotermia.
Eso significa que solo en 6 años (8.700€/1.482€) la inversión está amortizada. Teniendo en cuenta que, además, la bomba de calor aerotérmica tiene menos mantenimiento anual y una vida útil media de unos 25 años, la inversión es excelente.
Si, además, se añade como extra una posible subvención de unos 3.000€ por la instalación aerotérmica (las hay actualmente en prácticamente todas las comunidades autónomas), la amortización se realiza en tan sólo 4 años (5.700€/1.482€).
Pero cuidado, hay que tener en cuenta que los precios actuales de la energía son excesivamente volátiles debido a la situación geopolítica. El precio del gas en el mercado libre se ha triplicado (0.05€/kWh) y el de la electricidad ha subido un 60% (0.12€/kWh) con respecto al año pasado (2021). Con esos valores (los del año 2021) el ahorro anual tan sólo sería de unos 350€ y el periodo de amortización se iría a unos 16 años incluyendo la subvención de 3000€.
Por tanto, la evolución futura de los precios de la energía marcará los plazos de amortización de este tipo de instalaciones y ahora mismo es difícil conocer hacia donde se dirigirán los precios.
De todas formas, cuesta pensar que el precio del gas se vaya a estabilizar con las circunstancias actuales. También es evidente que la producción a escala de máquinas y la instalación masiva de aerotermia hará que el precio se reduzca en unos años y que, por consiguiente, se reduzcan también estos plazos de amortización.
Instalaciones existentes y los precios actuales de la energía
En instalaciones ya hechas, la sustitución de las calderas de gas/gasoil es algo más complicada de valorar ya que la amortización de la inversión de la instalación depende de las características del tipo de rehabilitación que se ejecute.
El problema más importante se encuentra, como ya se ha explicado anteriormente, en la diferente temperatura de trabajo con respecto a las instalaciones convencionales. Mientras las instalaciones clásicas de calderas de gas/gasoil suelen funcionar con radiadores de alta temperatura en un rango de trabajo entre 70-80ºC, las máquinas de aerotermia bajan mucho su rendimiento por encima de los 50-55ºC.
Esto implica que la sustitución no puede ser directa y eso incrementa los costes de la reforma ya que todas las posibilidades necesitan una inversión mayor.
Estas son algunas de las opciones posibles:
Se pueden sustituir los radiadores de alta temperatura por suelo radiante, pero se debe hacer una reforma integral ya que se requiere levantar y sustituir todo el pavimento.
Se pueden sustituir los radiadores de alta temperatura por otros actuales de baja temperatura, que normalmente van a ser más largos o anchos, manteniendo la instalación de tuberías previa. Un aspecto a favor es que, teniendo en cuenta que muchas instalaciones viejas están sobredimensionadas en número de elementos y que otras más recientes no trabajan con temperaturas tan altas (60-70ºC), es posible, que, si se analiza bien, los mismos radiadores instalados puedan ser capaces de proporcionar el calor necesario sin necesidad de cambiar nada.
Se puede utilizar una máquina de aerotermia de alta temperatura, que en muchos casos incorporan una resistencia eléctrica para conseguir alcanzar los 80º, lo que disminuye el rendimiento global y encarece el producto. En otros casos, incorporan un sistema de doble compresor en cascada que también reduce el rendimiento prácticamente a la mitad.
Se puede configurar una instalación híbrida manteniendo la caldera de combustión y aportando sólo con gas el salto térmico entre 50º y 80º. La aerotermia precalienta al agua hasta los 50ºC. Se mantiene la instalación inicial sin cambios, pero también se mantienen ciertos consumos de gas.
Se puede eliminar la instalación de calefacción con radiadores por una nueva instalación de aerotermia con fancoils.
En todos los casos, la inversión siempre es mayor que una instalación que se vaya a ejecutar nueva.
En la siguiente tabla, se exponen de forma aproximada, algunos de los costes y plazos de amortización para estas posibilidades.
En definitiva, la decisión final dependerá de las circunstancias concretas de la reforma: ubicación, demanda de calefacción, tipo de rehabilitación, etc. Por eso es imprescindible ponerse en manos de profesionales que estudien tu caso y te ofrezcan un presupuesto a medida.
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