Publicada el 11 de Marzo de 2019

La aerotermia está de moda, y poco a poco está tomando un papel relevante como alternativa verde a la climatización y obtención de Agua Caliente Sanitaria (ACS). A pesar de ser sustitutivo de las calderas tradicionales, el sistema está considerado una fuente de energía renovable porque su rendimiento es superior al 100%. 

La mecánica básica de la aerotermia consiste en aprovechar la energía térmica del aire, una fuente inagotable de energía presente en todo el planeta y libre de emisiones de CO2. Destaca hoy gracias a otros desarrollos tecnológicos que la han impulsado, aunque su coste inicial sigue siendo elevado. Eso sí, en ahorro y bajo impacto ambiental no tiene rival. Vamos a ver este sistema más de cerca. 

¿Qué es la aerotermia y para qué sirve? 

A la hora de calentar o refrigerar nuestras viviendas, oficinas, centros de ocio, etc., disponemos de un conjunto de formas naturales que nos ayudan, así como máquinas que palían la diferencia con respecto a la temperatura de confort. Un abanico de opciones que van desde la quema de combustible (gas natural) o material (pellets) al uso de energías limpias como una bomba de calor impulsada con energía verde. 

En el extremo de la eficiencia energética y el bajo impacto ambiental se encuentra la aerotermia. Este tipo de máquina da tanto frío como calor, por lo que sustituye o complementa tanto a las tradicionales calderas (gas natural, GLP, gasóleo) como a los aparatos de aire acondicionado (evaporador más split). 

Esto significa que el sistema puede ser instalado tanto a nivel industrial como en un centro comercial, en una oficina, en nuestros hogares, etc. Eso sí, debido a que la tecnología implicada ha sido desarrollada hace poco, y a cómo funciona el medio de radiación, no suele ser una opción muy asequible en una primera instancia. 

Como ventajas, este sistema tiene una mecánica realmente simple y un mantenimiento muy bajo. Ademásreparte las calorías y frigorías de manera uniforme por los edificios. Su consumo, que es eléctrico, es mucho más bajo que otros sistemas. El no expulsar CO2 es sin duda un valor importante. 

Para funcionar, la aerotermia requiere de varios elementos: el acceso al aire exterior de un modo similar al aire acondicionado; y a energía eléctrica. Si queremos explotar todo su potencial, hace uso de radiadores especiales de baja temperatura o suelo radiante. Ambos suben mucho la inversión inicial. 

¿Cómo funciona un sistema de aerotermia?

Imagen que muestra una persona hinchando una rueda de bici con una bomba

Foto de Yourbestdigs.com

Demos un salto un segundo al mundo del ocio, y salgamos a dar una vuelta con nuestra bicicleta. En uno de nuestros viajes notamos que una de las ruedas está algo floja. Nos bajamos, cogemos el bombín y la inflamos, dándonos cuenta de lo que se ha calentado el tubo… y nuestros músculos. La culpa la tiene la física. 

La bomba de la bici funciona aumentando la presión del aire dentro del tubo. Cuando esto ocurre (¿A alguien le suena aquella fórmula del cole de los gases ideales, P·V=n·R·T?) el aire se calienta. La aerotermia usa un sistema muy parecido para elevar la temperatura en un circuito cerrado y usarlo para mover el calor de un lugar a otro. 

Las máquinas de aire acondicionado 

La aerotermia para dar aire acondicionado ya la usamos muchos en casa. Disponemos de una unidad exterior (cassette) y una interior (split), generalmente colgados de la pared. Ambos están unidos por un circuito cerrado con gas refrigerante. 

Es este circuito el que transporta el calor de dentro a fuera de la vivienda como si fuese una cinta transportadora. El en interior de la vivienda notamos aire frío porque el split está cogiendo nuestro aire caliente, enfriándolo, y liberándolo de nuevo a la habitación. Con el aire interior se calienta el refrigerante, que es bombeado fuera según este esquema básico: 

Esquema que refleja el funcionamiento de la bomba de calor cuando está en modo frío

 

Un compresor sube más aún su temperatura de este gas caliente, de modo que sea fácil que pierda energía cuando dejamos pasar aire exterior cerca de sus tubos en el cassette. El gas refrigerante, ahora enfriado, sigue su camino de vuelta a nuestra casa, pero antes lo expandimos para que su temperatura descienda más. 

¿Bomba de calor gracias a la aerotermia? 

Sin cambiar la maquinaria, la aerotermia es capaz de dar calor a la vivienda, pero para eso necesitamos un condensador que tenga una válvula de cuatro vías que invierta el ciclo de arriba. Así, la “cinta transportadora del calor” ahora se mueve en la dirección contraria. Y sí, al circuito se le sigue llamando “refrigerante”: 

Esquema que refleja el funcionamiento de la bomba de calor cuando está en modo calor

 

De hecho, la nomenclatura técnica es un tanto compleja porque estas máquinas, tanto si dan frío como si dan calor, reciben el nombre de “bombas de calor”. Y tanto si refrigeran como si calefactan, el circuito interior lleva “refrigerante” dentro. 

La aerotermia para ACS y calefacción por agua 

Hasta aquí la aerotermia convencional. La aerotermia para ACS y calefacción por agua va un paso más allá. En lugar de calentar o enfriar aire, calienta o enfría agua. Esto permite que podamos usar la aerotermia con un circuito de radiadores o que tengamos agua caliente para ducharnos: 

Esquema que refleja el funcionamiento de la bomba de calor para anotermia

 

El Agua Caliente Sanitaria funciona con un circuito abierto a aguas grises que acaba en la bajante, mientras que el circuito de radiadores está cerrado y es circular. Como la aerotermia es capaz de impulsar agua muy fría por este segundo circuito, se recomienda el cambio a radiadores de baja temperatura, o bien suelo radiante. Esto implica un coste importante, pero a largo plazo sale rentable por el bajo consumo del sistema. 

El aire tiene muchísima energía interna aprovechable 

Es posible que al lector se le pase por la cabeza cómo es posible que la aerotermia caliente una vivienda en invierno, si el aire de fuera está frío. Si fuera hace -5ºC, ¿llegaremos a 25ºC dentro? Si fuera no hay calor, ¿se puede extraer energía? La culpa de esta cuestión está en la escala con la que medimos la energía del ambiente. 

En 1742, Celsius colocó de manera arbitraria los números 100ºC y 0ºC para los puntos de congelación y ebullición del agua, respectivamente. Un año después Jean-Pierre Christin invirtió esta escala, pero no dejaba de ser una forma de medir caprichosa. 

Lo cierto es que incluso el hielo tiene una cantidad de calor considerable, y en astrofísica se usan términos como “hielo superficial frío” o “hielo convectivo caliente”. Por ejemplo, cuando observamos la luna Europa. Aquí hay mucho calor, si se sabe aprovechar: 

Imagen de una placa de hielo rota en pedazos

Tuvo que pasar un siglo para que William Thomson descubriese que hay una temperatura mínima para el universo (el “cero absoluto”), y que esta se encuentra a -273,15ºC por debajo de la congelación del agua. Había dado con la escala absoluta de temperatura, aunque no le hacemos mucho caso. 

Como resultado pensamos en que 0ºC marca la barrera entre frío y calor, pero la aerotermia puede extraer energía de ambientes a -10ºC sin mucho problema del mismo modo que inflando la rueda de la bici en invierno podemos llegar a quemarnos la mano por el calor del bombín. 

¿Por qué se considera una fuente de energía renovable? 

Gracias a lo anterior, la aerotermia está considerada una fuente de energía renovable con un rendimiento de entre el 300 y el 400%. El rendimiento es un concepto de ingeniería que puede resultar complejo pero que consiste en hacer una operación sencilla. El rendimiento de cualquier máquina se calcula dividiendo la energía útil que obtengo entre la energía total que usamos para hacerla funcionar. No tiene más complicación:  

Imagen de la fórmula de rendimiento, energía útil entre energía aportada

En el caso de la aerotermia, la energía útil se calcula en calorías o frigorías, en función si buscamos calor o frío, y la energía aportada en vatios de electricidad. Por supuesto, estas tienen sus propias conversiones y sus ámbitos de aplicación. Pero saltándonos aburridos cálculos podemos decir que el rendimiento supera el 100%. 

¿Obtenemos más energía de la que metemos a la máquina? Sí y no. Obtenemos más calor o frío proporcional al gasto eléctrico desembolsado. Si volvemos a los esquemas de arriba podemos ver que las máquinas reciben un aporte importante de aire caliente. Ahí está la clave: la energía del aire es gratis. 

En los cálculos solo contamos la energía que nos cuesta obtener, no la que cogemos de manera renovable del ambiente. El aire está cargado de calor, incluso el muy frio, y la aerotermia es capaz de sacarle partido. Si metiésemos en el cálculo este calor inicial, estaríamos calculando la eficiencia del ciclo, esta sí inferior al 100%.

Imagen de la fórmula matemática que determina energía útil más energía aire entre energía aportada¿Cómo afecta esto a la eficiencia energética de los edificios? 

Para facilitar su lectura, en este artículo hemos usado un sistema de aerotermia doméstico. Su visualización es más fácil para los neófitos de los sistemas de climatización industrial, pero evidentemente estas máquinas también pueden usarse en grandes superficies. Centros comerciales, hospitales, oficinas… 

El ciclo es el mismo, y la física implicada también. Lo único que cambia son las dimensiones. El cassette o unidad exterior, en lugar de medir cerca de un metro, ocupa lo que una habitación grande. Pero la mecánica es idéntica: se extrae calor del aire exterior y se vierte al interior –o viceversa– a través de un compresor, un evaporador, y dos circuitos separados, de agua y gas refrigerante. 

Conductos de climatización en una infraestructura industrial

La aerotermia tiene comportamientos diferentes comparada con otro tipo de climatización. Por ejemplo, su avance es más gradual y tiende a conservar cierta inercia térmica. Esto es perfecto para climas estables, conocidos y predecibles, ya que evitará tener que ajustar el sistema constantemente. 

Es aquí donde entra en valor otro tipo de tecnología que hace que la aerotermia pueda ser implantada con éxito: el control de climatización y los históricos de datos. En los hogares los llamamos termostatos y tienen diseños soft e intuitivos; mientras que en entornos industriales reciben el nombre de BMS (Building Management System) y están integrados con decenas de sistemas. 

Si la aerotermia puede entrar tanto en hogares como en grandes superficies es porque ahora somos capaces de ajustar minuto a minuto la impulsión de energía en base a la temperatura de confort y la temperatura esperada tanto dentro como fuera del edificio. Los datos juegan un papel importantísimo, de ahí que tanto los BMS como los termostatos domésticos estén conectados a Internet. 

Como sistema de climatización renovable, la aerotermia no tiene rival ni en eficiencia ni en costes de operación. Por contra, implica una reforma de importancia de la maquinaria y el sistema de distribución de frío y calor, y un desembolso inicial importante. No obstante, este se va reduciendo poco a poco, a medida que el mercado abarata los costes debido a la demanda. 

Escrito por Marcos Martínez el 11 de Marzo de 2019

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