En las regiones frías de Norteamérica, el norte de Europa y Asia oriental, millones de hogares dependen ya de las bombas de calor por aerotermia como su sistema principal de calefacción en invierno. La idea de que una máquina pueda extraer calor del aire gélido exterior suele parecer contraintuitiva, pero el proceso responde a principios termodinámicos básicos y no a una combustión. Incluso cuando el aire exterior se percibe sumamente frío, contiene energía térmica hasta alcanzar el cero absoluto, fijado en -273,15 °C.
Cómo se extrae calor del aire bajo cero
Una bomba de calor aerotérmica funciona como un frigorífico a la inversa. En lugar de quemar gas, gasóleo o leña para generar calor, traslada el calor del exterior hacia el interior de la vivienda. La clave de este proceso radica en el circuito cerrado de refrigerante que fluye por la unidad. Los refrigerantes modernos, como el R-410A, el R-32 y el R-290, presentan puntos de ebullición extremadamente bajos: pasan de estado líquido a gaseoso entre los -40 °C y los -50 °C a presión atmosférica.
Cuando el aire exterior atraviesa la batería externa, el refrigerante líquido de su interior se evapora porque el aire de la calle está más caliente que el propio refrigerante. Una vez que el fluido absorbe este calor, se desplaza hacia el compresor situado en la unidad exterior. La compresión del gas eleva notablemente su presión y su temperatura, normalmente por encima de los 45 °C. A continuación, el gas caliente se canaliza hacia un intercambiador de calor interior, donde desprende calor hacia las estancias a medida que vuelve a condensarse en líquido. Una válvula de expansión reduce después la presión del refrigerante líquido, enfriándolo para reiniciar el ciclo.
Adaptaciones de ingeniería para climas fríos
Los modelos antiguos de bomba de calor perdían una parte sustancial de su capacidad por debajo de cero grados, pero las unidades más recientes diseñadas para climas gélidos incorporan adaptaciones mecánicas específicas para mantener la potencia hasta los -25 °C o incluso menos.
Los compresores inverter de velocidad variable modulan de forma continua el giro de su motor en vez de limitarse a encenderse o apagarse. En condiciones de frío extremo, estos compresores aceleran para bombear un mayor volumen de refrigerante y compensar así la menor densidad del gas frío. Los fabricantes también recurren a la inyección de vapor, técnica que desvía una fracción del refrigerante a alta presión de vuelta al compresor para refrigerar los componentes internos y mejorar la eficiencia de la compresión. De este modo, se mantiene una producción útil de calor con temperaturas bajo cero sin sobrecargar el motor del compresor.
Otro reto físico en entornos bajo cero es la acumulación de escarcha. La humedad del aire exterior se congela sobre la batería externa fría, lo que reduce el flujo de aire y aísla el serpentín del exterior. Los equipos modernos solucionan este problema mediante ciclos automáticos de desescarche. El sistema invierte brevemente el flujo del refrigerante y envía calor a la batería exterior para derretir el hielo en cuestión de minutos antes de volver a su modo de calefacción habitual.
Pérdida de rendimiento y límites físicos
Aunque una bomba de calor puede seguir funcionando en mitad de heladas severas, su eficiencia se resiente conforme se agranda la brecha entre la temperatura exterior y la interior. El rendimiento de la calefacción se mide a través del coeficiente de rendimiento (COP), que compara la energía térmica generada con la energía eléctrica consumida. Los radiadores eléctricos por resistencia tienen un COP de 1,0, lo que significa que una unidad de electricidad se traduce en una unidad de calor.
A temperaturas moderadas en torno a los 8 °C, una bomba de calor eficiente suele alcanzar un COP de entre 3,5 y 4,5. A -15 °C, dicha eficiencia suele descender a valores entre 1,5 y 2,5. Aunque la unidad sigue generando más del doble de calor por kilovatio-hora que los radiadores eléctricos convencionales, su capacidad térmica total merma justo cuando el inmueble pierde calor con mayor rapidez.
Cada combinación de edificio e instalación cuenta con un punto de equilibrio: la temperatura exterior en la que el calor aportado por la bomba de calor iguala las pérdidas térmicas de la vivienda. Por debajo de ese umbral, se hace necesaria una fuente de calefacción suplementaria. En climas más rigurosos, las instalaciones suelen incluir resistencias eléctricas de apoyo dentro de la unidad de tratamiento de aire, o bien conservan una caldera de combustible fósil de respaldo en un sistema dual para hacer frente a olas de frío extremo.
Próximos avances en calefacción para climas fríos
Diversos programas de investigación, como el Cold Climate Heat Pump Challenge del Departamento de Energía de Estados Unidos, están ultimando ensayos sobre el terreno con equipos residenciales diseñados para suministrar el 100 % de su potencia calorífica hasta los -15 °C sin recurrir a resistencias de apoyo. Paralelamente, los fabricantes están lanzando modelos que emplean propano como refrigerante, gas que ofrece un mayor rendimiento termodinámico con temperaturas ambientales bajas y un impacto directo mucho menor sobre el calentamiento global.
