Calefacción mediante aerotermia, una alternativa eficiente y sostenible

La aerotermia es una solución de climatización ideal para calefacción y producción de agua caliente sanitaria durante los meses de invierno.

Aunque se trata de una tecnología con más de cuarenta años de historia, el uso común de ésta en la Península Ibérica es relativamente nuevo y está en constante evolución. Sin embargo, existen ya suficientes casos de éxito para evaluar cómo de eficiente puede llegar a ser la aerotermia en calefacción y qué factores hay que tener en cuenta antes de la instalación para conseguir una mejora en el consumo energético.

Normalmente, los usuarios utilizan el término aerotermia para referirse a las bombas de calor para el intercambio aire-agua, pero también podría asimilarse a los equipos de aire acondicionado para el intercambio aire-aire, y por esa razón este artículo se expresa en esos términos.

Cómo funciona la calefacción mediante aerotermia

Para comprender el sistema de calefacción mediante aerotermia debemos comprender primero cómo funciona la bomba de calor aerotérmica: obtiene energía calorífica extrayéndola del aire y la transporta al interior de la vivienda (modo calefacción o producción de ACS). También puede realizar el proceso en sentido inverso (modo refrigeración).

En un artículo anterior lo explicamos en detalle, pero como resumen, su funcionamiento se basa en el intercambio de energía entre la temperatura del refrigerante contenido en el equipo y el calor existente en el aire del exterior, con estos 4 sencillos pasos:

1. El refrigerante llega al intercambiador (batería aleteada) de la unidad exterior. Este refrigerante se encuentra a muy baja temperatura y en estado líquido, pero al contacto con el aire ambiente (que se encuentra a mayor temperatura) se evapora y pasa a estado gaseoso.

2. Un compresor, con tecnología inverter, accionado eléctricamente, comprime el refrigerante aumentando aún más su temperatura y su presión.

3. Este refrigerante a alta presión y temperatura pasa a otro intercambiador (de placas) que se encuentra en el otro extremo del circuito frigorífico, y es allí donde cede el calor a una corriente de agua. Esta agua caliente se utiliza para preparar el ACS para uso doméstico, y para proporcionar calefacción a la vivienda a través de distintos tipos de emisores, como pueden ser radiadores, suelo radiante o fancoil.

4. El refrigerante retorna de nuevo hacia la batería de intercambio inicial pasando a través de la válvula de expansión (normalmente electrónica). Esto sirve para reducir drásticamente la temperatura y la presión, por lo que una parte del refrigerante se evapora directamente, y el resto, aún en estado líquido, queda listo para iniciar un nuevo ciclo.

Consumo eléctrico de la calefacción mediante aerotermia

Las bombas de calor aerotérmicas están conectadas a la instalación eléctrica porque necesitan energía eléctrica para mover el compresor, el ventilador y el resto de componentes eléctricos o electrónicos, pero su consumo es muy bajo en proporción a la energía térmica que producen. Hoy en día existen equipos de aerotermia capaces de producir hasta más de 6 kW de energía térmica a partir de 1 kW eléctrico consumido. Si a esto le sumamos que las bombas de calor generan una temperatura de impulsión óptima en modo calefacción de 30-60ºC (a diferencia de las calderas convencionales que suelen trabajar a 60-80ºC) obtenemos un sistema de calefacción de muy alto rendimiento energético.

Rendimientos de la aerotermia en calefacción

El rendimiento de la aerotermia en modo calefacción se define mediante el coeficiente de rendimiento medio estacional o SCOP (seasonal coefficient of performance). Este se compone de varios rendimientos parciales o COP (coefficient of performance), que dependen de la configuración de carga del refrigerante, las temperaturas de trabajo y las temperaturas exteriores, y que indica el ratio entre energía calorífica entregada entre la energía eléctrica consumida.

Normalmente, el valor que se utiliza como COP nominal en la mayoría de ocasiones se corresponde con una temperatura exterior de 7ºC y una temperatura de impulsión a 35ºC, que puede ser perfecta para una instalación de calefacción por suelo radiante. Este valor de temperatura de impulsión es el que se denomina de “baja temperatura”. En esas circunstancias el valor del COP para la mayoría de los equipos actuales del mercado suele estar cerca de 4 (o superior).

Sin embargo, las condiciones meteorológicas externas no son estables y pueden variar, por lo que hay que observar en la tabla de características de los equipos los distintos valores para una temperatura exterior que se adecúe a las que se puedan alcanzar en la zona en la que se vaya a instalar el equipo, ya que el valor del COP a una temperatura de -7ºC se puede reducir respecto del anterior. En cualquier caso, habrá que intentar elegir equipos que entreguen rendimientos por encima de lo que se considera energía renovable para una bomba de calor de aerotermia (rendimiento mínimo = 2,5).

Otro dato importante a tener en cuenta es la selección de la temperatura del agua de impulsión, que en calefacción va a depender del tipo de emisores que tengamos en la vivienda, y que oscilará desde los 35ºC para el suelo radiante, hasta incluso 70º-75ºC que pueden llegar a alcanzar los equipos con gas refrigerante R290, y que se podría utilizar para radiadores convencionales antiguos.

Un mismo equipo, trabajando con la misma temperatura exterior, tendrá rendimientos muy distintos en función de la temperatura del agua de impulsión, por lo que habrá que intentar que ésta sea lo más baja posible.

El equivalente para el rendimiento de calefacción COP - SCOP en el modo de refrigeración es el EER (energy efficiency ratio) – SEER (seasonal energy efficiency ratio). Al igual que ocurre en calefacción, la temperatura exterior y la temperatura del agua de impulsión influirán decisivamente en el rendimiento global del equipo. Habitualmente se van a manejar dos temperaturas distintas: 18ºC para suelo refrescante y 7ºC para fancoil, y en los datos técnicos de los equipos podremos encontrar datos de rendimientos para ambas.

¿Qué pasa cuando la temperatura exterior es muy fría?

Un error común es pensar que no es posible tener calefacción mediante aerotermia cuando hace mucho frío. Sin embargo, el aire a temperatura muy fría también contiene energía en forma de calor, ya que el movimiento de átomos y moléculas se da hasta que la temperatura alcanza el Cero Absoluto (-273,15ºC).

La aerotermia cuenta en el circuito frigorífico con un gas refrigerante que tiene un punto de ebullición muy bajo, lo que permite que se produzca esa captación de energía incluso a temperaturas muy bajas durante el invierno. Eso sí, el rendimiento de la máquina en estas condiciones será menor, y puede variar dependiendo del equipo y del tipo de gas, ya que cuanto más frío se encuentre el aire exterior más le cuesta a la bomba de calor obtener esa energía en forma de calor del aire. Aún así, los rendimientos siguen siendo más elevados que cualquier otro sistema de producción con combustibles fósiles y, además, mucho más sostenible ya que no emite ningún gas contaminante a la atmósfera.

Esta merma en el rendimiento de los equipos de producción ocurre con todos los sistemas de calefacción, no sólo con la aerotermia.

Calefacción por aerotermia según el tipo de instalación

Existen diferentes emisores de calefacción que se pueden utilizar para cualquier sistema de producción, y que forman parte de la instalación, dependiendo de las necesidades del proyecto:

Calefacción con suelo radiante

La calefacción por suelo radiante, unida a la aerotermia, es uno de los sistemas más eficientes y confortables para el usuario, ya que el calor se reparte de forma uniforme, reduce la inercia térmica del edificio y no genera corrientes de aire.  Otra ventaja del suelo radiante es que no produce ningún ruido y no precisa de elementos visibles en el interior de la vivienda. Además, si la instalación se ha diseñado para ese fin, también funciona en verano, denominándose suelo refrescante.

La configuración básica del sistema de suelo radiante consiste en la impulsión de agua a baja temperatura (en torno a los 35-45ºC) a través de circuitos de tuberías ocultos bajo el suelo. Este rango de temperaturas de impulsión es ideal para la aerotermia.

En este caso, los materiales de la propia construcción actúan también como transmisores del calor, ya que 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 convección natural. Dado que el mecanismo principal de transmisión de calor es por radiación, la tecnología ha recibido el nombre comercial de suelo radiante.

Calefacción con radiadores convencionales

Es bastante habitual encontrar radiadores de los denominados “convencionales” en viviendas donde se plantea la instalación de un equipo de aerotermia.

Estos radiadores están compuestos de elementos individuales, fabricados de materiales como el hierro fundido, chapa de acero, o aluminio, que presentan distintas formas o configuraciones para facilitar la circulación de corrientes de aire de manera natural por convección.

Estos elementos, se unen en el número necesario hasta ofrecer la potencia calorífica necesaria para cubrir las necesidades de cada estancia, y pueden tener distintas anchura y alturas.

Las temperaturas de trabajo de los radiadores son muy amplias, pero su diseño original indica que habitualmente se prevean grandes saltos térmicos en el agua (de hasta 20ºC), con caudales de paso reducidos, por lo que la utilización de estos elementos con bomba de calor aerotérmica puede ser más complicada que con otros elementos terminales.

No obstante, se puede utilizar una bomba de calor aerotérmica con radiadores si se calcula (o se consulta) la potencia que pueden entregar los elementos con una temperatura de impulsión más baja (hasta 60ºC para no perder eficiencia), y con caudales de paso de agua algo más elevados. La experiencia indica que muchas de las instalaciones existentes pueden soportar sin problema el cambio de generador por una bomba de calor aerotérmica, dejando, eso sí, que ésta funcione durante todo el día, en lugar de en momentos puntuales, como se solía hacer con las calderas.

Calefacción con radiadores de baja temperatura

Los radiadores de baja temperatura pueden ser una alternativa cuando se presentan complicaciones para la instalación al suelo radiante.

Ofrecen las mismas prestaciones que los radiadores convencionales, pero trabajan con una temperatura de agua de unos 45-55ºC, en lugar de 70-80ºC.

La mayor desventaja de estos emisores es que no funcionan en modo refrigeración. Además, al trabajar a menor temperatura, necesitan mayor superficie de radiación, por lo que, dependiendo del diseño, en ocasiones son más grandes que un radiador convencional.

Calefacción por aerotermia con fancoils

En climas templados donde las temperaturas mínimas no son tan bajas, o en lugares de costa donde la humedad relativa está en valores elevados, la calefacción mediante aerotermia con fancoils es una excelente opción. Las principales ventajas de los fancoils son un menor coste de instalación que el suelo radiante, gran flexibilidad de instalación (debido a la variedad de opciones que hay) y que funcionan en refrigeración de manera muy similar a la de un split de aire acondicionado, por lo que son totalmente válidos para verano.

Un fancoil, o ventilo-convector, es un terminal al que llega el agua procedente de la bomba de calor aerotérmica. En su interior se realiza un intercambio de calor entre el agua y el aire en una batería de intercambio, y este calor es expulsado al interior de la vivienda por medio de un ventilador, para proporcionar calefacción. Si el agua que llega es fría, absorberá el calor del aire en la batería de intercambio, y por lo tanto el aire expulsado se utilizará para refrigeración.

En general, la calefacción mediante aerotermia con fancoils es menos eficiente que con suelo radiante, pero es también menos costosa y más interesante para climas en los que es necesario el aire acondicionado en verano, y la temperatura no cae demasiado en invierno, para que un único sistema pueda hacer todo el trabajo.

¿Es mejor la calefacción mediante aerotermia que una caldera tradicional?

La calefacción mediante aerotermia con suelo radiante ofrece un nivel de confort imbatible y un alto rendimiento energético en el caso de nuevas instalaciones o rehabilitaciones integrales, lo que se traduce en un alto ahorro energético.

Combinando aerotermia y energía fotovoltaica, el consumo y la huella de carbono se reducen aún más.

Mientras que una caldera de gas difícilmente mantendrá un rendimiento cercano al 95%, la bomba de calor puede disponer de un rendimiento medio estacional del 260-350% (o incluso más) de forma que el consumo de energía final (la que se paga en la factura, bien gas, bien electricidad) puede reducirse sin problemas en más de un 50%.

Por ejemplo, para una demanda de 10.000 kWh/año de calefacción, la energía primaria 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.
Por tanto, teniendo en cuenta las capacidades actuales de los equipos de aerotermia y que es una tecnología que está en constante evolución y mejora, es razonable pensar que la calefacción por aerotermia acabará sustituyendo a las calderas de combustión tradicionales porque es mucho más eficiente y, no menos importante, porque es una energía limpia y viable que responde a las exigencias normativas de la Unión Europea.