¿Qué factores provocan la reducción de la eficiencia de la bomba de calor?
Considerada como una solución clave para sustituir la calefacción con combustibles fósiles, la tecnología de bombas de calor se está implementando rápidamente en todo el mundo. Sin embargo, dado que muchas instalaciones no alcanzan los niveles teóricos de eficiencia en condiciones reales de funcionamiento, las causas subyacentes están siendo objeto de escrutinio.
Una encuesta realizada por Energy Saving Trust (EST) del Reino Unido reveló un hecho sorprendente: El 83% de las bombas de calor instaladas en el Reino Unido tienen un rendimiento inferior al esperado, y el 87% no alcanza el nivel mínimo de eficiencia energética de una calificación de 3 estrellas.
Una investigación realizada por la ETH de Zúrich, en colaboración con varias universidades, analizó datos operativos reales de 1023 bombas de calor en 10 países de Europa Central. Se detectaron variaciones significativas de rendimiento entre unidades, en condiciones de temperatura idénticas. La brecha del coeficiente de rendimiento (COP) entre algunos dispositivos alcanzó 2-3 vecesEste hallazgo ha impulsado a la industria a reexaminar los factores críticos que afectan la eficiencia de las bombas de calor.
01 Problemas de equipo e instalación
Los principales culpables de la baja eficiencia de las bombas de calor residen en el propio equipo y la calidad de la instalación. La encuesta de EST identificó Gestión industrial desorganizada dentro del sector de instalación como un problema central.
Simon Green, Director de Desarrollo de Negocio de EST, afirmó con franqueza: «Si se instala y utiliza correctamente, la tecnología de bombas de calor podría reducir significativamente las emisiones de CO₂ del Reino Unido. Sin embargo, la situación actual difiere considerablemente de nuestras estimaciones».
En el Reino Unido, el Consejo de la Industria de Calefacción y Agua Caliente (HHIC), responsable de las instalaciones de bombas de calor residenciales, reconoció públicamente falta de mano de obra suficiente para ayudar a los consumidores a elegir productos adecuadosEsta ausencia de asesoramiento especializado da lugar a frecuentes errores de selección y a que los usuarios adquieran a menudo equipos que no se ajustan a las características de su edificio.
El envejecimiento de los equipos es otro factor que afecta la eficiencia. Los fabricantes de bombas de calor aerotérmicas modernas indican en sus guías de mantenimiento que Los componentes clave, como los compresores y los intercambiadores de calor, se desgastan con el tiempo.Un sellado deficiente provoca fugas de refrigerante, lo que reduce la eficiencia de calefacción/refrigeración, mientras que los sistemas eléctricos envejecidos afectan directamente la estabilidad operativa.
02 Factores ambientales y de diseño
Las condiciones ambientales son la segunda variable principal que afecta la eficiencia. La temperatura ambiente influye decisivamente en la eficiencia de calefacción de las bombas de calor aerotérmicas. Las temperaturas más bajas conducen a una eficiencia significativamente reducida.
La ubicación de la instalación es igualmente crucial. La ubicación cerca de fuentes de calor o radiadores restringe el flujo de aire, lo que perjudica directamente la eficiencia del intercambio de calor. La humedad interior y la calidad del aire también tienen efectos en cascada sobre el rendimiento de la calefacción.
El análisis de datos a gran escala de la ETH Zurich descubrió que Las bombas de calor geotérmicas alcanzaron un COP promedio de 4,90, superando ampliamente el promedio de 4,03 de las unidades de fuente de aire.Fundamentalmente, la eficiencia de la fuente terrestre se ve menos afectada por las fluctuaciones de la temperatura exterior, lo que demuestra un rendimiento más estable.
La investigación también descubrió un fallo de diseño clave: aproximadamente Entre el 7 y el 11 % de los sistemas de bombas de calor están sobredimensionados, mientras que aproximadamente el 1 % están subdimensionados.Este desajuste de tamaño impide el funcionamiento en condiciones óptimas, provocando desperdicio de energía.
03 Operación y mantenimiento inadecuados
El estado de mantenimiento de un sistema de bomba de calor afecta directamente su eficiencia a largo plazo. El mantenimiento regular es clave para garantizar el funcionamiento normal., pero en la práctica a menudo se descuida este requisito básico.
Un mantenimiento deficiente puede causar obstrucciones o daños en los componentes, mientras que los métodos de mantenimiento no estándar generan nuevos problemas. Los niveles incorrectos de carga de refrigerante, ya sea por exceso o por defecto, reducen significativamente la eficiencia de la calefacción. El uso de productos de limpieza inadecuados en los intercambiadores de calor también perjudica su rendimiento.
Las investigaciones europeas indican que Reducir el ajuste de la curva de calefacción en 1 °C puede aumentar la eficiencia promedio de la bomba de calor en 0,11 COP y reducir el consumo de energía del hogar en un 2,61 %.Muchos usuarios desconocen estos métodos de optimización, lo que da lugar a un funcionamiento subóptimo durante mucho tiempo.
Los problemas con el refrigerante son otra causa común de pérdida de eficiencia. La insuficiente capacidad de transporte de calor del refrigerante reduce el intercambio de calor efectivo por ciclo. Algunos fabricantes utilizan refrigerantes de baja calidad para reducir costos, o se producen fugas durante el transporte, lo que impide alcanzar las temperaturas de diseño del agua.
04 Problemas de configuración y dimensionamiento del sistema
La configuración inadecuada del sistema es una causa fundamental de ineficiencia. Las bombas de calor dedicadas a la producción de agua caliente sanitaria (ACS) presentan valores de COP significativamente inferiores a los utilizados para la calefacción de espacios, debido a... El ACS requiere temperaturas de impulsión más altasEsta diferencia en las características de la demanda de energía a menudo se pasa por alto durante el diseño.
Los problemas de dimensionamiento son particularmente graves en las aplicaciones residenciales. El equipo de la ETH de Zúrich desarrolló métricas de utilización para evaluar la idoneidad del dimensionamiento y descubrió que Los sistemas de gran o pequeño tamaño son notablemente comunes.
En la industria, los métodos de integración de sistemas tienen un impacto crítico en la eficiencia general. Estudios en proyectos de captura de CO₂ en plantas cementeras muestran que La integración de bombas de calor de alta temperatura puede reducir el coste incremental del clínker en un 32 %.Sin embargo, lograr dicha optimización requiere un diseño preciso del sistema y capacidades de integración, lo que plantea desafíos para muchos instaladores.
Los populares sistemas de doble suministro de China (refrigeración y calefacción integradas) mejoran la eficiencia energética general gracias a su diseño innovador. En verano, el refrigerante se distribuye mediante unidades interiores de pared; en invierno, el agua caliente circula por sistemas de calefacción por suelo radiante, siguiendo el principio tradicional chino de salud: pies calientes, cabeza fría. Las configuraciones optimizadas ofrecen importantes mejoras de eficiencia.
05 Soluciones y perspectivas de futuro
Para afrontar los retos que plantea la eficiencia de las bombas de calor se necesitan tanto innovación tecnológica como ajustes de políticas. Un avance de los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) involucra una aleación elástica Ti₇₈Nb₂₂, consiguiendo una eficiencia de cambio de temperatura 20 veces mayor que los metales convencionales, llegando al 90% del límite de eficiencia de Carnot.
Este material se calienta y enfría mediante deformación elástica, lo que abre un nuevo camino para la tecnología de bombas de calor de estado sólido. El equipo está desarrollando actualmente un prototipo de bomba de calor industrial basado en esta aleación.
La monitorización operativa y el ajuste inteligente ofrecen mejoras prácticas de eficiencia. Investigadores europeos recomiendan establecer procedimientos estandarizados de evaluación del rendimiento posterior a la instalación y desarrollar herramientas digitales para ayudar a los usuarios a optimizar la configuración. Ajustes sencillos, como reducir la curva de calefacción, generan ahorros energéticos sustanciales.
El diseño de políticas necesita perfeccionarse. La experiencia alemana demuestra que Los altos precios de la electricidad pueden dificultar la adopción de bombas de calorUnos ajustes racionales a las estructuras impositivas de la energía, haciendo que la electricidad sea más competitiva frente al gas natural, acelerarían la sustitución de la calefacción con combustibles fósiles.
Las aplicaciones industriales tienen un gran potencial. Los proyectos de captura de CO₂ en plantas de cemento que integran bombas de calor de alta temperatura demuestran la capacidad de esta tecnología para reducir las emisiones, a la vez que disminuyen los costos adicionales del clínker en un 32 %. A medida que se expande la electricidad renovable y la tecnología de bombas de calor de alta temperatura madura, estas soluciones podrían convertirse en tecnologías clave para la descarbonización de las industrias con un alto consumo energético.
El camino futuro para el desarrollo de la tecnología de bombas de calor está cada vez más claro. La aleación elástica Ti₇₈Nb₂₂ desarrollada por científicos de materiales de la HKUST tiene un rendimiento excepcional en el laboratorio. Los sectores industriales están explorando nuevas fronteras. Los proyectos de captura de carbono en plantas de cemento que combinan bombas de calor de alta temperatura con la recompresión mecánica de vapor (MVR) han reducido... La captura de CO₂ cuesta 125,9 euros por toneladaA medida que estas innovaciones pasen del laboratorio al mercado, las bombas de calor se convertirán en una fuerza fundamental en la transición energética global.