Bombas de calor: mover el calor en lugar de fabricarlo
La cifra que despierta desconfianza es justamente la que importa. Un calefactor eléctrico es como mucho eficiente al 100 por cien, porque lo máximo que puede hacer es convertir toda su electricidad en calor. Una bomba de calor alcanza el 300-500 por cien con esa misma medida, y la razón es que no es un convertidor en absoluto.
De dónde sale la energía adicional
El aire a cero grados Celsius contiene una cantidad enorme de energía térmica. El cero de la escala Celsius es una referencia arbitraria, el punto de congelación del agua, no una ausencia de calor; eso sería el cero absoluto, 273 grados más abajo. En el aire frío hay energía de sobra, solo que a una temperatura demasiado baja para aprovecharla directamente.
Una bomba de calor eleva esa temperatura. Hace circular un refrigerante de punto de ebullición muy bajo por cuatro componentes. En el evaporador exterior el refrigerante está más frío que el aire, así que el calor entra en él en la dirección habitual y lo hace hervir. Un compresor comprime después ese vapor, y la compresión eleva su temperatura muy por encima de la del interior. En el condensador interior el vapor caliente cede su calor a la vivienda y vuelve a ser líquido. Una válvula de expansión baja la presión, el líquido se enfría bruscamente y el ciclo vuelve a empezar.
Nada de esto es exótico. Es el ciclo de refrigeración, descrito por Carnot en la década de 1820 y presente en todos los frigoríficos desde entonces. El compresor es lo que paga la electricidad, y su trabajo es lo que permite que el calor fluya de frío a caliente, la dirección en la que no va por sí solo.
El calor entregado a la vivienda es, por tanto, la suma de dos cosas: el calor recogido fuera, que es gratis, más el trabajo eléctrico del compresor, que también acaba como calor. Por eso la salida supera a la entrada y por eso nada en ello incomoda a las leyes de la termodinámica.
El coeficiente de rendimiento
El COP es la relación entre calor entregado y electricidad consumida. Un COP de 4 significa cuatro kilovatios-hora de calor por uno de electricidad. El COP estacional, que promedia a lo largo de una temporada de calefacción incluyendo ciclos de desescarche y funcionamiento a carga parcial, es la cifra honesta para comparar y suele ser menor que el valor punta de un folleto.
El techo teórico procede de nuevo de Carnot y depende solo de las dos temperaturas implicadas. Bombear calor a través de una diferencia pequeña es fácil; a través de una grande, difícil. Un sistema que eleva calor de 7 grados exteriores a 35 en un circuito de suelo radiante tiene un COP máximo teórico superior a 10 y en la práctica logra 4 o 5. El mismo equipo elevando de menos 10 exteriores a 55 grados para radiadores antiguos quizá llegue a 2.
Esa única relación explica casi toda recomendación práctica sobre bombas de calor. Radiadores mayores o suelo radiante bajan la temperatura de impulsión necesaria y suben el COP. El aislamiento reduce el calor requerido y permite una impulsión más baja con el mismo confort. La captación geotérmica supera a la aerotérmica en invierno porque el terreno a pocos metros se mantiene cerca de la media anual y el aire no, que es el mismo recurso que emplea la geotermia somera.
También explica que una bomba de calor supere a una caldera de gas incluso en un día frío. Una caldera de condensación alcanza quizá el 90 por ciento. Una bomba con COP 2,5 entrega el 250 por cien. Aun donde la electricidad cuesta el triple que el gas por kilovatio-hora, la cuenta queda ajustada, y mejora cada año que la red se vuelve más limpia.
Climas fríos y la objeción que persiste
La objeción habitual es que las bombas de calor fallan con frío, y en su momento fue bastante cierta. Los primeros equipos perdían capacidad con rapidez por debajo de cero y recurrían a una resistencia de apoyo, que es electricidad cara mal empleada.
Dos cambios acabaron con eso. Los compresores inverter de velocidad variable permiten modular la potencia de forma continua en lugar de arrancar y parar, lo que mantiene el rendimiento a carga parcial. La inyección de vapor añade un segundo punto de inyección en la compresión y sostiene la capacidad a bajas temperaturas exteriores. Los equipos actuales para clima frío mantienen un COP superior a 2 a menos 20 grados y siguen funcionando por debajo de menos 25.
La respuesta empírica convence más que las especificaciones. Noruega, Finlandia y Suecia tienen la mayor penetración de bombas de calor del mundo -bastante más de la mitad de los hogares en Noruega- y no son lugares cálidos. La tecnología funciona en climas fríos porque se ha diseñado para ello, no porque la física fuera indulgente.
Las salvedades honestas que quedan tienen que ver con los edificios y no con las máquinas. Una vivienda con pérdidas elevadas y radiadores pequeños dimensionados para agua a 70 grados necesitará mejoras en la envolvente o emisores mayores, y el coste de esa obra, no el de la bomba, suele decidir si la reforma tiene sentido.
Por qué importa a escala de sistema
La calefacción supone cerca de la mitad del consumo final de energía en Europa y la mayor parte sigue siendo combustible fósil quemado. Una tecnología que entrega el mismo calor con entre un tercio y un quinto de la energía de entrada cambia el tamaño del problema, no solo su contenido de carbono.
La multiplicación se refuerza con una red limpia. Una unidad de electricidad de un parque eólico se convierte en cuatro unidades de calor en una vivienda, de modo que un solo aerogenerador desplaza varias veces su propia producción en gas. Por eso las bombas de calor aparecen en casi todas las vías creíbles de descarbonización y se tratan como tecnología de electrificación más que de calefacción.
Hay también una consecuencia para la red. La calefacción electrificada desplaza la demanda al invierno y a las mañanas frías, justo cuando la producción solar es menor en latitudes altas. Las bombas de calor aumentan así el valor de la generación que funciona al margen del clima y del almacenamiento capaz de salvar una semana fría y oscura.
Además son flexibles de una manera que ayuda. Un edificio bien aislado es en sí un almacén térmico: una bomba puede trabajar más cuando la electricidad es barata y descansar una o dos horas cuando no lo es, sin que nadie lo note. Eso convierte a las bombas de calor en una de las mayores fuentes de flexibilidad de demanda disponibles para una red.
Preguntas frecuentes
¿Cómo puede una bomba de calor superar el 100 por cien de eficiencia?
No está convirtiendo electricidad en calor, así que la palabra eficiencia induce a error. Usa electricidad para trasladar al edificio calor que ya existe fuera. El calor entregado es el calor exterior recogido más el trabajo eléctrico del compresor, y por eso la salida supera a la entrada eléctrica sin violar nada.
¿Qué es el COP?
Coeficiente de rendimiento: calor entregado dividido por electricidad consumida. Un COP de 4 significa cuatro unidades de calor por unidad de electricidad. El COP estacional promedia una temporada de calefacción completa, con desescarches y carga parcial, y es la cifra que conviene comparar entre sistemas.
¿Funcionan las bombas de calor con frío?
Sí. Los equipos modernos para clima frío mantienen un COP superior a 2 a menos 20 grados y funcionan por debajo de menos 25, gracias a compresores de velocidad variable e inyección de vapor. Noruega tiene la mayor penetración del mundo, con bastante más de la mitad de los hogares, lo que zanja la cuestión empíricamente.
¿Por qué importa tanto la temperatura de impulsión?
Porque el COP depende de la diferencia de temperatura que la bomba debe salvar. Calentar agua a 35 grados para suelo radiante es mucho más fácil que a 55 para radiadores antiguos. Bajar la impulsión mediante mejores emisores o aislamiento suele ser la vía más barata de mejorar el rendimiento.
¿Es una bomba de calor lo mismo que un aire acondicionado?
Mecánicamente, casi. Ambos funcionan con un ciclo de refrigeración que mueve calor de un lado a otro. Un aire acondicionado bombea calor fuera del edificio; una bomba de calor lo bombea dentro, y la mayoría de los equipos modernos invierten el ciclo y hacen ambas cosas. Un frigorífico es la misma máquina enfriando una caja en lugar de una habitación.
