¿Cómo da una bomba de calor más calor que la electricidad que gasta?

¿Calor de la nada?

Esta caja parece crear calor de la nada. Entra una unidad de electricidad y salen unas tres de calor. Pero nada se crea: la energía que falta está a la vista, en el aire frío exterior. Sigue el fluido por cuatro piezas y entenderás de dónde sale ese calor extra.

Calefactores que crean calor

Empecemos por un calefactor conocido. Un calefactor eléctrico pasa corriente por un alambre resistivo, que convierte esa energía en calor. Una unidad entra, una de calor sale; el alambre no da más de sí. Una caldera quema gas y nunca entrega más calor que la energía del combustible.

Ambos producen calor. Una bomba de calor sobre todo mueve calor que ya existe.

El aire frío aún guarda calor

Todo lo que está sobre el cero absoluto guarda energía térmica. El cero absoluto ronda los doscientos setenta y tres grados Celsius bajo cero. El aire a cero grados, que hiela las manos, sigue muy por encima de ese límite. El calor solo fluye espontáneamente de lo cálido a lo frío.

Para llevarlo del aire frío exterior a una sala cálida, hay que impulsarlo cuesta arriba. La electricidad proporciona ese impulso.

Un líquido que hierve bajo cero

El fluido de una bomba de calor se llama refrigerante. Se elige porque hierve por debajo de cero grados. Un refrigerante común, el erre treinta y dos, hierve a unos cincuenta y dos grados bajo cero a presión normal. Hervir absorbe calor, como el agua al fuego absorbe energía sin calentarse más.

Si el refrigerante del serpentín exterior está más frío que el aire, hierve absorbiendo su calor. Un ventilador sopla aire exterior sobre el serpentín para seguir aportando calor.

El compresor

Ahora el refrigerante es vapor frío a baja presión y lleva ese calor. La electricidad acciona el compresor. Este comprime el vapor y el trabajo aumenta su presión y temperatura. El vapor sale más caliente que la sala que va a calentar.

Este es el empujón cuesta arriba, hecho con trabajo eléctrico.

El calor sale dentro de casa

El vapor caliente va al serpentín interior. Como supera la temperatura ambiente, cede calor espontáneamente. Al ceder calor, el refrigerante se condensa en líquido. Un ventilador o un circuito de agua lleva el calor a las salas, por rejillas, radiadores o el suelo.

La válvula de expansión

El líquido sigue a alta presión; le queda un último paso. La válvula de expansión lo pasa por un orificio estrecho al lado de baja presión. La caída brusca de presión lo enfría mucho. Vuelve al serpentín exterior, más frío que el aire circundante.

Y el ciclo se repite mientras el sistema funcione.

De dónde salen las tres unidades

Ahora cuadran las cuentas. De cada tres unidades de calor en casa, una entró como electricidad por el compresor. El serpentín frío captó las otras dos del aire exterior. El calor entregado dividido por el trabajo eléctrico es el coeficiente de rendimiento, o COP.

Nuestro ejemplo tiene un COP de tres. Según la Agencia Internacional de Energía, una bomba doméstica típica ronda un COP de cuatro. No se crea energía. La electricidad compra transporte, y transportar es más barato que crear.

Por qué la proporción tiene un techo

Pero esa razón tiene límite. La física fija un techo según dos temperaturas: origen y destino del calor. En una bomba perfecta y reversible, el techo es la temperatura del lado caliente dividida por la diferencia entre temperaturas, medidas desde el cero absoluto.

Con cero grados fuera y veinte dentro, el techo ideal ronda catorce coma siete. Con diez grados fuera, el techo casi se duplica: unos veintinueve. Las máquinas reales rinden mucho menos: los serpentines necesitan más diferencia para mover calor rápido, y compresor y ventiladores pierden energía. La clave es la forma de la fórmula.

Cuanta más diferencia térmica debe superar la bomba, menor es su techo.

Los días más fríos

La diferencia es máxima cuando más calefacción necesitamos. Con más frío fuera, la bomba debe elevar más el calor, y su COP baja. Un comentario de dos mil veintitrés en Joule reunió unas dos mil setecientas mediciones de unas quinientas cincuenta bombas en siete estudios de campo en Europa, Norteamérica y China.

Entre cinco grados y menos diez, el COP medio fue dos coma setenta y cuatro. Ningún estudio bajó de dos coma cuatro de media. En Finlandia probaron a treinta bajo cero dos modelos para clima frío. Uno dio de una y media a dos de calor por unidad eléctrica; el otro, de una a una y media.

Hay otro gasto invernal. Cerca de cero grados, la escarcha puede cubrir el serpentín exterior. Derretirla consume energía extra. Muchas bombas de aire llevan calefacción de apoyo para las horas más frías, y un apoyo eléctrico funciona como aquel alambre: una entra, una sale.

En los estudios, solía encenderse solo por debajo de unos diez bajo cero.

Los países fríos ya dependen de ellas

El frío por sí solo no impide su adopción. Según la agencia, cerca del sesenta por ciento de los edificios noruegos tiene bombas de calor. En Suecia y Finlandia, superaba el cuarenta por ciento. Allí la calefacción invernal es indispensable.

La temperatura interior importa

El otro extremo de la diferencia está dentro de casa. Muchos sistemas antiguos usan agua a entre sesenta y setenta grados. Para dar agua tan caliente, la bomba debe elevar más el calor y pierde eficiencia. Por eso los instaladores a veces agrandan radiadores, ponen suelo radiante o mejoran el aislamiento.

Una casa bien aislada necesita agua o aire menos calientes, lo que reduce la diferencia desde dentro.

La eficiencia no es la factura

Un COP alto no garantiza ahorrar. Depende del calor necesario, del COP de toda la temporada y del precio eléctrico frente al combustible sustituido. Veamos el ejemplo del Departamento de Energía estadounidense.

Una bomba con COP estacional tres sustituye una calefacción de gas que convierte el ochenta por ciento del combustible en calor: es tres coma setenta y cinco veces más eficiente. Ahorra si la energía eléctrica cuesta menos de unas tres coma setenta y cinco veces la del gas. Si supera ese precio, puede costar más pese a consumir menos energía.

Instalar es otra barrera. Según la agencia, aun las bombas aire-agua más baratas cuestan de dos a cuatro veces lo que una caldera de gas en casi todos los grandes mercados, sin ayudas. Las fugas importan: algunos refrigerantes son potentes gases de efecto invernadero.

Pero la agencia estima que, con refrigerantes actuales, la bomba recorta emisiones al menos un veinte por ciento frente al gas, y hasta ochenta con electricidad más limpia.

Dos excepciones

No todas las bombas extraen calor del aire exterior. Las bombas geotérmicas y de agua usan el suelo, agua subterránea o un río cercano, normalmente más cálidos que el aire en invierno. Esa menor diferencia eleva su COP y evita tener que descongelar un serpentín exterior. Cuestan más porque el circuito enterrado exige un pozo profundo o una extensa red de tuberías.

La misma máquina puede funcionar al revés. Una válvula inversora intercambia los serpentines: en verano el interior recoge calor y el exterior lo expulsa, como un aire acondicionado.

Cuatro condiciones que revisar

La caja no rompe las leyes físicas. Usa una unidad de electricidad para llevar calor de una temperatura a otra. Cuánto calor mueve depende de cuatro factores comprobables. Cuánto frío hace donde vives.

A qué temperatura necesitas el agua o aire de casa. Cuánto calor retiene el edificio. Y cuánto cuesta la electricidad frente al combustible que reemplaza. Reduce la diferencia, y cada unidad eléctrica moverá más calor adentro.