Bomba de Calor

Una bomba de calor es un dispositivo que aplica trabajo externo para extraer una cantidad de calor Q_C de un foco frío y entregar calor Q_H a un foco caliente. La bomba está sujeta a las mismas limitaciones de la segunda ley de la termodinámica como cualquier otro motor térmico, y por lo tanto se puede calcular la máxima eficiencia a partir del ciclo de Carnot. Las bombas de calor, se caracterizan normalmente por un coeficiente de rendimiento (COP), que es el número de unidades de energía entregada al foco caliente, por unidad de trabajo de entrada.

Nota: En el cálculo del coeficiente de rendimiento, o cualquier otra cantidad relacionada con los motores térmicos, las temperaturas se deben tomar en valores absolutos (grados Kelvin).

Acondicionadores de Aire y Bombas de Calor

Los acondicionadores de aire y las bombas de calor son motores térmicos como el refrigerador (frigorífico). Hacen buen uso de la alta calidad y flexibilidad de la energía eléctrica, de la que puede usar una unidad de energía eléctrica, para transferir mas de una unidad de energía calorífica desde una zona fria a una zona caliente. Por ejemplo, un calefactor de resistencia eléctrica, usando 1 kilovatio-hora de energía eléctrica, puede transferir solamente 1 Kwh de energía para calentar la casa al 100 % de eficiencia. Pero 1 kWh de energía usado en una bomba de calor, podría "bombear" 3 kWh de energía, desde un entorno exterior frio hacia la casa para calentarla. La proporción entre la energía transferida y la energía electrica usada en el proceso, se llama coeficiente de rendimiento (COP). Un COP típico de una bomba de calor comercial, está entre 3 y 4 unidades transferidas, por unidad de energía eléctrica suministrada.

Coeficiente de Rendimiento

El coeficiente de rendimiento (COP) de una bomba de calor es la proporción entre la energía transferida para calentar y la energía eléctrica de entrada que se usa en el proceso. Con referencia a la ilustración estándar del motor térmico, el coeficiente se define por

Hay un máximo teórico de COP, el del ciclo de Carnot:

Sin embargo en un refrigerador, la cantidad útil es el calor extraido, Q_C , no el calor impulsado. Por tanto el coeficiente de rendimiento se expresa como

En los frigoríficos de consumo en los EE.UU., el coeficiente de rendimiento, suele ser refundido en un número llamado índice de eficiencia energética.

Índice de Eficiencia Energética

Las eficiencias de los acondicionadores de aire y bombas de calor vendidos en los EE.UU., se establecen a menudo en términos de índice de eficiencia de energía (EER):

Este peculiar índice se puede comparar con el mas sencillo coeficiente de rendimiento, convirtiendo las BTU/hr a vatios:

Por tanto COP = EER x 0.292. El rango de índices en los acondicionadores de aire están tipicamente entre 5,5 y 10,5. Aquellas unidades en las que el índice EER>7,5 se clasifican como unidades de "alta eficiencia". Este rango de índices, corresponde con una rango de coeficientes de rendimiento (COP) de 1,6 a 3,1.

Flujo de Energía en la Bomba de Calor

Con el objetivo de calentar una casa, la bomba de calor eléctrica puede superar el cuello de botella impuesto por la segunda ley de la termodinámica. Como muestra la ilustración, una bomba de calor puede proporcionar más calor a una casa, que la quema dentro de la casa, del combustible primario al 100% de eficiencia. Es una eficiencia mayor que la de un típico horno de aire forzado de gas natural, quemando directamente el combustible primario en el interior de la casa. Esta comparación no es del todo justa para el gas natural, sin embargo, ya se puede comprar hornos de gas natural que proporcionan energía de calefacción con eficiencias superiores al 90%.