Como ya se ha explicado en artículos anteriores, cuando hablamos del rendimiento, nos referimos generalmente al COP para calefacción en el caso de bombas de calor y el EER para refrigeración en el caso de ciclos frigoríficos. Desde el punto de vista de la termodinámica, una máquina frigorífica y una bomba de calor son esencialmente lo mismo, ya que se trata de un condensador al que el refrigerante cede calor, y un evaporador en el que el refrigerante absorbe calor.
A veces sólo interesa uno de estos calores o transferencia de energía. Si se necesita refrigeración, se absorbe calor en el sistema y se cede calor al ambiente. En el caso de la bomba de calor, se cede calor al sistema y se absorbe calor de ambiente. Siempre hay una cantidad de calor que se está absorbiendo o cediendo al ambiente, únicamente para que el ciclo termodinámico pueda funcionar. Sin embargo, en muchas instalaciones, se requiere de forma simultánea refrigeración y calefacción. Por lo tanto, habrá varias ocasiones en las que se puede realizar un aporte de frío y calor con el mismo ciclo de compresión.
Generalmente, lo más sencillo es realizar un aporte de frío con una máquina frigorífica y aprovechar el calor que se cede en el condensador para cubrir parte de la demanda de calefacción, y el resto se completará con un equipo auxiliar de calefacción, como podría ser una caldera. De esta forma, se puede aprovechar un calor residual del ciclo de compresión, que de lo contrario, se evacuaría a la atmósfera, y ese mismo calor que se desperdicia, habría que aportarlo a través de otro sistema de calefacción.
Es fácil deducir que este aprovechamiento de calor tiene una serie de beneficios, que se traducen en una mayor eficiencia energética en nuestra instalación, unos ahorros energéticos y económicos y una reducción de emisiones de CO2. A partir de aquí hay dos preguntas a resolver: ¿cuánto calor podemos recuperar? ¿Hasta qué temperatura puedo calentar? Ambas preguntas están relacionadas directamente con el primer y segundo principio de la termodinámica.
La primera pregunta se puede responder de manera bastante sencilla, pero con matices importantes. Debido a que la energía no se crea ni se destruye, la suma de energía de calefacción del condensador y las pérdidas de energía, es igual a la energía que recibe el sistema, es decir, a la suma de la energía absorbida por el compresor y la energía absorbida en el evaporador.
Qcond + pérdidas = Qevap + Wabs
Asumiendo un ciclo ideal sin pérdidas de calor a lo largo del sistema, se puede estimar que el calor de condensación máximo teórico es la suma del calor en el evaporador y la potencia absorbida en el compresor. Este calor es el máximo, pero debemos tener en cuenta otra limitación más, que es la temperatura a la que se quiere calentar nuestro sistema o circuito caloportador secundario. La máxima temperatura a la que se puede calentar el sistema será el punto más caliente del ciclo, es decir, la temperatura de descarga del compresor. Esto es debido a que la energía siempre se transfiere del cuerpo más caliente al más frío, y nunca al revés, aunque se pudiera mantener el balance energético.
Vamos a seguir utilizando el diagrama p-h de los refrigerantes, prestando especial atención a las isotermas de temperatura.
Se observa que a la salida del compresor, la temperatura de descarga va disminuyendo hasta que llega a la temperatura de saturación (calor sensible). Entonces, empieza el cambio de fase del refrigerante, donde se cede calor a una temperatura constante hasta que todo el refrigerante condensa (calor latente). Posteriormente, su temperatura sigue disminuyendo hasta llegar, como máximo a la temperatura del ambiente o del sistema al que esté cediendo calor (calor sensible).
Por lo tanto, se puede observar que la temperatura máxima (y de forma ideal) que se puede alcanzar con esta recuperación de calor es la temperatura máxima del ciclo, que coincide con la temperatura de descarga a la salida del compresor. Sin embargo, hay que tener en cuenta que esa cantidad de calor sensible es pequeña comparada con todo el calor cedido en el condensador. A este se le denomina sistemas de recuperación de calor parcial.
Por otra parte, se puede recuperar una mayor cantidad de energía con el calor latente, pero en este caso, la temperatura que podemos alcanzar estará limitada por la temperatura de saturación del refrigerante durante el cambio de fase. En este caso, se le denomina recuperación total de calor.
En el siguiente artículo veremos más en profundidad estos dos tipos de recuperación, con otras soluciones complementarias para mejorar el aprovechamiento de calor y aumentar la eficiencia energética de nuestras instalaciones.