La bomba de calor, además de ser una de las tecnologías más eficientes empleadas en los sistemas de climatización, contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, por lo que está llamada a convertirse en uno de los sistemas de generación de frío y calor más comunes en el sector de la edificación.

La integración de un sistema de almacenamiento térmico en una bomba de calor mejora la eficiencia energética y contribuye a reducir la factura energética de hogares e industria. De hecho, CIC energiGUNE trabaja en el desarrollo de materiales de cambio de fase (PCM) que permiten almacenar gran cantidad de energía térmica manteniendo una temperatura constante, lo que mejora el rendimiento a la vez que reduce el tamaño y coste de las bombas de calor.

Ya el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) elaborado por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico prevé multiplicar por 6 la instalación de bombas de calor en el periodo 2021-2030. De acuerdo a datos recopilados por el IDAE, el parque de bombas de calor en 2014 alcanzaba 2 millones de unidades, llegando a duplicarse en 2019. Con el nuevo impulso a las renovables, esta cifra alcanzaría las 24 millones de unidades en 2030, con casi un 80% de presencia en el sector residencial.

¿Cómo funcionan las bombas de calor?

El nombre “Bomba de calor” proviene de la semejanza de éstas con las bombas empleadas para impulsar agua desde un nivel hasta otro más elevado.

En vez de agua, las bombas calor transportan energía térmica desde un punto frío que normalmente es el ambiente exterior, a un punto a mayor temperatura, mediante un ciclo térmico cerrado en el que se recoge el calor al evaporar un fluido a baja presión y temperatura.

El fluido, en estado de vapor, se comprime empleando energía eléctrica, incrementando todavía más su temperatura. Este calor a mayor temperatura será el que se emplee para la climatización del edificio. En ese momento, al ceder su calor al edificio, el fluido se enfría y se condensa a alta presión.

Dicho fluido, finalmente, pasa por una válvula de expansión donde baja su presión y temperatura, volviendo a su estado inicial e iniciando un nuevo ciclo.

El funcionamiento es equivalente al que tiene una nevera solo que, a la inversa, de tal forma que también existen las bombas de calor reversibles, que, además, pueden funcionar como aparatos de aire acondicionado.

Ventajas y retos de las bombas de calor

La principal ventaja de una bomba de calor es su eficiencia, que, en condiciones normales de operación, por cada kilovatio de potencia eléctrica empleada en el compresor, podemos conseguir entre 3 y 5 kilovatios de calor para la climatización.

Sin embargo, las bombas de calor que emplean como fuente fría el aire exterior, presentan un importante reto desde el punto de vista económico y de eficiencia. Y es que su rendimiento depende de las condiciones ambientales, especialmente de la temperatura, por lo que, cuanto mayor es la diferencia entre la temperatura exterior y la del interior, peor será su rendimiento.

Por esa razón, en los momentos más fríos del día, la bomba de calor puede no ser capaz de suministrar toda la potencia necesaria para la calefacción. En esos casos, para cubrir esa demanda puntual, normalmente se emplean como complemento las calderas de combustión -con mayores emisiones y consumo de combustible- o las eléctricas -con un mayor consumo eléctrico-.

Sistemas de almacenamiento de energía en bombas de calor

Para reducir el uso de calderas y mejorar el rendimiento de la instalación se emplean sistemas de almacenamiento de energía. De esta forma, la bomba de calor opera a un alto rendimiento durante los periodos en que la temperatura exterior sea mayor, y almacena el calor producido para hacer uso del mismo en los periodos más fríos del día.

Por lo tanto, disponer de un sistema de almacenamiento térmico de gran capacidad, bajo coste y que, además, ocupe poco espacio, es clave para conseguir una mejora en la eficiencia de operación de las bombas de calor, y de esta forma, facilitar su implantación como sistema de climatización.

Para almacenar energía en estas aplicaciones son excelentes los materiales de cambio de fase (PCM), ya que permiten almacenar gran cantidad de energía térmica en forma de calor latente gracias a sus cambios de fase (sólido-líquido o sólido-sólido) manteniendo una temperatura constante durante el proceso de transición.

Estos sistemas ofrecen una densidad de almacenamiento mucho mayor con un rango de temperatura más estrecho entre el almacenamiento y la liberación de calor que los basados en calor sensible -como es el caso de los tanques de agua, predominantes en muchas de las actuales aplicaciones centradas en los edificios-. Debido a estas propiedades, los PCMs pueden ser empleados como materiales termorreguladores o bien como almacenadores de calor para rangos estrechos de temperatura.

El empleo de las bombas de calor como sistema de climatización se ve impulsado desde las administraciones mediante normas como la Directiva 2018/2001 del Parlamento Europeo y del Consejo de 11 de diciembre de 2018, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables. Esta normativa apoya las bombas de calor para el desarrollo de la calefacción y la refrigeración renovables al tener en cuenta la energía ambiente de tipo aerotérmico, geotérmico o hidrotérmico capturada por este sistema. Por su parte, el Real Decreto 178-2021 de Modificación del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios establece que el empleo de bombas de calor para cubrir las demandas de climatización, producción de agua caliente sanitaria o calentamiento de piscinas, cumpliendo unos requisitos de rendimiento medio estacional, será considerada como energía renovable.

En definitiva, la alta eficiencia de las bombas de calor, especialmente en combinación con un sistema de almacenamiento térmico de bajo coste como el desarrollado en CIC energiGUNE, hacen que sean consideradas el sistema de climatización ideal tanto para el sector residencial como industrial.