Funcionamiento y ventajas de la bomba de calor para producción de Agua Caliente Sanitaria

La producción de agua caliente sanitaria (ACS) está destinada a ser la principal demanda térmica de los edificios, debido a próximas exigencias legislativas europeas y a la construcción de edificios de consumo nulo de energía. Un proceso de reconversión de la edificación hacia el estándar EECN que implica necesariamente un cambio en la distribución del consumo de la energía final en los edificios.

En 2020, la Comisión Europea presentó su estrategia de Oleada de renovación, que aspira al menos duplicar la tasa anual de renovación energética de los edificios en la Unión Europea para 2030, e impulsar las renovaciones en profundidad. Según el documento SWD(2021) 365 final/2 de la Comisión Europea “Análisis de la estrategia nacional de renovación a largo plazo” (diciembre, 2021), los hitos y compromisos de España en cuanto a renovaciones, para alcanzar un parque de edificios descarbonizados en 2050 son los siguientes:

✓ 1,2 millones de viviendas (de los 18,7 millones de viviendas de primera residencia) que se renovarán de aquí a 2030.

✓ Para los edificios residenciales, una reducción del 37% en el uso de energía y del 99% de las emisiones de CO2 para 2050 en comparación con 2020.

✓ Para los edificios residenciales, el consumo de la calefacción será inferior del 55% en 2050 con respecto a los niveles de 2020.

✓ Se espera que 7,1 millones de casas se sometan a una profunda renovación para 2050, reduciendo su consumo individual en 12 kWh/m2.

✓ Se prevé que el parque de edificios nuevos entre 2020 y 2050 sea de 3,9 millones de viviendas, todas ellas de consumo de energía casi nulo (EECN o nZEB)

La bomba de calor se convierte en la mejor solución para disponer de ACS prácticamente sin emisiones de CO2, debido al uso de energía renovable y a la descarbonización del vector eléctrico

Recordemos, además, que el PNIEC ha fijado como objetivo la rehabilitación energética de 1.200.000 viviendas hasta 2030. Este proceso de reconversión de la edificación hacia el estándar EECN implica un cambio en la distribución del consumo de la energía final en los edificios. Según el informe del Idae “Proyecto SECH-Spahousec - Análisis del consumo energético del sector residencial en España” de 2011, el consumo de energía en una vivienda se reparte en un 47% para la calefacción y un 19% para el ACS, siendo el resto para electrodomésticos, cocina, iluminación y aire acondicionado. 

En el futuro, la reducción de la demanda energética para calefacción de los edificios nuevos y rehabilitados, debido a la mejora en el aislamiento y otras medidas que conllevan los requisitos para EECN, hará que, en dicho reparto de consumo energético, el peso del ACS sea mucho mayor que el de la climatización.

Bomba de calor, la solución con menos emisiones para ACS

Es en este contexto donde la bomba de calor se convierte en la mejor solución para disponer de ACS prácticamente sin emisiones de CO2, debido al uso de energía renovable y a la descarbonización del vector eléctrico.

Por un lado, esta tecnología es prácticamente la única que contribuye a cumplir simultáneamente los tres objetivos principales de las estrategias europeas de descarbonización, relativos al aumento de la eficiencia energética, al aprovechamiento de renovables y a la reducción de emisiones de CO2. Esto es debido a su altísima eficiencia energética, que duplica o triplica los rendimientos de sistemas basados en combustibles fósiles; a que alrededor del 75% de la energía aportada al ACS es de origen renovable; y a que ese 25% de consumo de electricidad se encuentra prácticamente descarbonizado, gracias a que la producción de electricidad nacional avanza hacia ese camino: las emisiones de CO2 por kWh eléctrico previstas en 2030 son de 0,059 kg CO2/kWh, según el PNIEC (Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030, A.7.2 Tabla Anexo I Parte 2 Escenario Objetivo. Tabla A.54. Parámetros, variables y balances del Escenario Objetivo. Intensidad de carbono de la producción de electricidad y vapor).

Los equipos bomba de calor actuales son capaces de producir ACS a lo largo de todo el año, en cualquier condición de temperatura exterior, incluso en zonas climáticas frías   

Por otro lado, los equipos bomba de calor actuales son capaces de producir ACS a lo largo de todo el año, en cualquier condición de temperatura exterior, incluso en zonas climáticas frías. En el diseño del sistema de ACS debe tenerse encuentra que precisa de la instalación de un acumulador de ACS, incluso en el caso de bombas de calor de producción instantánea, acumulador que deberá ser dimensionado en función del perfil de consumo y de la potencia instalada. 

El uso sanitario exige también el cumplimiento con la normativa vigente sobre legionela, que puede requerir, en el caso de algunos tipos de equipo, el apoyo de una fuente de generación adicional para alcanzar la temperatura de desinfección, o bombas de calor de alta temperatura.

Existen distintos sistemas de generación de ACS mediante bomba de calor:

✓ Ciclo de doble etapa: utiliza una bomba de calor inverter de compresión en dos etapas consecutivas en una única carcasa, disponible en arquitectura compacta o partida que, en la mayoría de los casos, incorpora un depósito de acumulación de ACS.

✓ Ciclo en cascada: consiste en una bomba de calor con doble ciclo, cada uno de ellos con su propio proceso de compresión, con arquitectura compacta.

✓ Sistema con unidades no reversibles aire-agua: en este caso se trata de una bomba de calor no reversible condensada por aire, con diseño optimizado para la producción de calefacción y ACS, y disponible en arquitectura compacta.

✓ Sistema con unidades no reversibles agua-agua: utiliza una bomba de calor agua-agua no reversible (o “máquina de calor”), que proporciona calor (mediante el condensador) o frío (mediante el evaporador) a través de un sistema de control, que permite al usuario seleccionar el modo de trabajo.

✓ Otros sistemas:

• Sistema con unidades bomba de calor aire-agua reversibles con recuperación.

• Sistema con unidades bomba de calor de doble condensador: agua-aire-agua y agua-agua-agua.

Bomba de calor multitarea

Es uno de los sistemas más demandados en los últimos tiempos. Estos equipos multitarea permiten la producción de agua a temperaturas diferentes, lo cual hace viable la producción combinada de calefacción, refrigeración y ACS, y hace posible utilizar este tipo de bombas de calor en aplicaciones residenciales, comerciales y del sector terciario. Están disponibles en formato compacto o partido, y pueden incorporar un depósito de acumulación de ACS.

Las características de estas máquinas permiten integrar control de temperatura de zona, y la combinación con otras fuentes de calor. La propia unidad gestiona estas funcionalidades, además del modo de trabajo. El diseño y modo de operación de estos equipos hace que trabajen de manera muy eficiente.

En modo refrigeración, la unidad extrae el calor del espacio interior, y lo transporta al ambiente exterior. Si hay demanda simultánea de ACS y refrigeración, el calor extraído del interior del edificio se aporta al ACS, por lo que esta energía se recupera en lugar de expulsarla al aire exterior, reduciendo el consumo total del sistema. Si la demanda es exclusiva de ACS, la bomba de calor opera en modo calor, utilizando la energía ambiente del exterior (renovable) para calentar el agua del depósito de ACS, con rendimientos muy altos, por encima de 2,5. El cambio de un modo de funcionamiento a otro se produce de manera automática, priorizándose siempre la producción de ACS.

En modo calefacción, el equipo calienta el agua del circuito de calefacción, generalmente contra un depósito de inercia que permite evitar los ciclos cortos de compresor y hacer funcionar al mismo al menos 20-25 minutos de modo continuado, lo que permite el retorno de aceite del circuito frigorífico, el trabajo con presiones estables, y una larga vida del compresor.

Exigencia de energía renovable para ACS

El documento básico “DB HE Ahorro de Energía” del Código Técnico de la Edificación, en su sección HE-4, establece una contribución mínima de energía renovable para cubrir la demanda de agua caliente sanitaria, de manera que “los edificios satisfarán sus necesidades de ACS y de calentamiento de agua para la climatización de piscina cubierta empleando en gran medida energía procedente de fuentes renovables o procesos de cogeneración renovables; bien generada en el propio edificio o bien a través de la conexión a un sistema urbano de calefacción”.

Para este cumplimiento y dado que la producción de ACS está destinada a ser la principal demanda térmica de los edificios, la bomba de calor se perfila como la mejor alternativa para conseguir alcanzar los objetivos de descarbonización y energía renovable para cubrir todas las demandas de un edificio, incluido el calentamiento de piscinas y, por supuesto, el ACS.

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Este artículo aparece publicado en el nº 578 de CIC, págs. 34 a 36.