ETO - Las Bombas de Calor y la temperatura del medio ambiente

Javier TRESPALACIOS
ETO - Las Bombas de calor y la temperatura del medio ambiente - V01.docx
ETOEnergía para Todos
Capitulo:LasBombasdeCalorylatemperaturadelmedioambiente
1
Las Bombas de Calor y la temperatura del
medio ambiente
La temperatura del medio ambiente cómo el agua, suelo, aire y desechos térmicos1
(ex: aguas de
alcantarilla) son una fuente de energía renovable, gratis y abundante, la cual puede ser
aprovechada por tecnologías como las Bombas de Calor2
(BC).
1. Que es una Bomba de Calor (BC)
La Bomba de Calor (BC) es una maquina frigorífica3
(ex: refrigerador) en la cual un fluido
refrigerante4
absorbe la temperatura del ambiente y la transforma en energía térmica por medio
de energía mecánica5
.
La BC se utiliza para la calefacción de edificios, producción de agua caliente AC y combinando los
dos anterior; también se utiliza para calentar piscinas, ciertas aplicaciones industriales o para
aportar energía en un sistema de calefacción a distancia6
(CAD).
Los principales componentes de una Bomba de Calor son:
1. Evaporador: transfiere el calor del ambiente (fuente fría) a un fluido refrigerante; su
trabajo es semejante al de un intercambiador de calor.
2. Compresor: comprime el fluido refrigerante por medio de la energía mecánica de un
compresor, aumentando su presión que hace aumentar la temperatura de este.
3. Condensador: es donde se cede el calor que tiene el fluido refrigerante a la fuente que se
calentara (fuente caliente).
4. Válvula de expansión: reduce la presión del fluido refrigerante después de salir del
condensador.
5. Fluido refrigerante: es el fluido que circula en el interior de la Bomba de Calor (BC),
absorbe el calor del ambiente (fuente fría) y cede calor para calentar (fuente caliente); este
1 Desechos térmicos: son considerados el agua usada o de alcantarilla, el aire usado o viciado, y los desechos
industriales en forma de aire o líquidos, de los anteriores se pueden recuperar su calor y/o energía.
2 Bombas de Calor (BC): en francés se conocen como Pompe à Chaleur (PAC), en ingles Heat Pump (HP).
3 Maquina frigorífica: es una maquina térmica, que hace circular de forma cíclica y cerrada (circuito cerrado) un fluido
refrigerante, el cual cambia de estado por medio de una temperatura externa y que aumenta su temperatura al
aumentar su presión comprimiéndolo por medio de un compresor; el fluido que circula normalmente es un gas.
4 Fluido refrigerante: también puede ser llamado fluido frigorífico, el cual es capaz de cambiar de fase de un estado
líquido a un estado de vapor o en el sentido contrario cuando es sometido a altas presiones. Pueden ser gases o
líquidos.
5 Energía mecánica: es el trabajo mecánico que realiza un compresor dentro de una BC, cuando comprime el fluido
refrigerante.
6 Calefacción a distancia - CAD: es un sistema de distribución de calor urbano por medio de tuberías enterradas y los
edificios se conectan a esta.

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Capitulo:1.QueesunaBombadeCalor(BC)
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fluido tiene la propiedad de cambiar de estado o fase de líquido –> vapor y de vapor –>
líquido; casi siempre este fluido es un gas.
6. Fuente fría: es el elemento que aporta la temperatura al fluido refrigerante durante su
paso por el evaporador; una fuente fría es el agua, el aire, el suelo o desechos térmicos.
7. Fuente caliente: es el elemento que absorbe el calor del fluido refrigerante en el
condensador, por ejemplo, un sistema de distribución de calefacción.
Imagen 1: esquema y funcionamiento de una Bomba de Calor y sus componentes [1]7
La imagen 1 muestra cómo es el funcionamiento8
de una Bomba de Calor:
➢ Etapa 1: el fluido refrigerante sale del evaporador donde capto el calor de la fuente fría, y
donde cambio a de un estado líquido a un estado de vapor, la presión en este momento es
baja.
➢ Etapa 2: el fluido en estado de vapor es comprimido por el compresor (que es alimentado
eléctricamente) llevándolo a una alta presión, que hace aumentar su temperatura.
➢ Etapa 3: el fluido en estado de vapor con una alta presión y temperatura cede su energía
térmica a una fuente caliente, el fluido al salir del condensador cambia de fase a un estado
líquido, pero aun con una alta presión.
➢ Etapa 4: ya en estado líquido y con baja temperatura pasa por la válvula de expansión para
bajar su presión la cual genera también una nueva baja de temperatura; el fluido ya está
listo para pasar por el evaporador donde absorberá de nuevo la temperatura del medio
ambiente y cambiar a un estado de vapor.
Por ejemplo una Bomba de Calor que utiliza un lago con una temperatura a 10°C como
fuente fría que capta el fluido refrigerante en estado líquido en el evaporador cambiando a
un estado de vapor, continuando a pasar por el compresor donde es comprimido
aumentando su temperatura (alta temperatura9
) y presión, para atravesar el condensador
donde entrega el calor a una temperatura de 45°C a la fuente caliente (ex: para la
7 Palabras en francés: Détendeur = Válvula de expansión; Source froide = Fuente fría; Source chaude = Fuente caliente;
Basse = Baja; Haute = Alta; Etat = Estado.
8 Una Bomba de Calor (BC) funciona según el principio de ciclos termodinámicos, donde una maquina frigorífica
térmica donde un fluido refrigerante circula dentro de un circuito cerrado y cíclico.
9 Alta temperatura: es la designación dada a la temperatura cuando sale del compresor y va a entrar al condensador.

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Capitulo:2.ClasificacióndelasBombasdeCalor
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calefacción) saliendo en un estado líquido ya en con una baja temperatura10
pero con una
alta presión, siguiendo su camino a una válvula de expansión donde baja su presión y su
temperatura, estando ya listo para recomenzar un nuevo ciclo en el evaporador.
La eficiencia11
de una Bomba de Calor (BC) se mide con el Coeficiente de Performance - COP el
cual es el reporte de la cantidad de energía térmica cedida (KWh) y la energía eléctrica (KWh)
utilizada por el compresor; la ecuación es la siguiente:
𝐶𝑂𝑃 =
Energía transferida por el condensador
Energía eléctrica utilizada por el compresor
Mientras el COP sea mayor la Bomba de Calor es mejor; la imagen siguiente muestra el ejemplo de
una Bomba de Calor de COP 4, donde la repartición es de 75% la fuente fría y 25% la energía
eléctrica para comprimir el fluido:
Imagen 2: ejemplo de una Bomba de Calor de COP 4 [1] 12
2. Clasificación de las Bombas de Calor
Las BC se dividen según la fuente de captación de energía (fuente fría), puede ser el aire -
Aerotérmicas, el agua – Hidrotérmicas (aguas subterráneas o de superficie), el suelo - Geotérmica
y desechos térmicos (agua usada, o aire de procesos industriales y otros).
En la imagen siguiente se puede ver la temperatura durante el año de las fuentes frías como el
aire, el suelo a 1m, el agua de superficie y el agua subterránea:
10 Baja temperatura: es la designación dada a la temperatura cuando sale del evaporador y condensador.
11 Eficiencia: es la capacidad para realizar o cumplir una función o trabajo a realizar.
12 Palabras en francés: Chauffage = Calefacción; Sol = Suelo; Eau = Agua.

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Imagen 3: temperaturas durante el año en Suiza de las fuentes frías agua de superficie (ex: lagos), suelo a
1m, temperatura media del exterior y agua subterránea [5]13
Las BC son enunciadas de la siguiente forma, Aire / Agua quiere decir que la fuente fría es el aire y
fuente caliente es el agua.
La fuente a la cual se le cede el calor la fuente caliente se divide en dos: hidráulicas y aérobicas; en
los nuevos edificios la calefacción se hace a baja temperatura (<45°C) por ejemplo por medio de
un suelo radiante14
, o un ventilo convector de agua15
o un Multi Split16
.
Las Bombas de Calor se clasifican según su fuente fría en:
➢ Bombas de Calor Aerotérmicas: el aire es una fuente de energía ilimitada, pero presenta
variaciones importantes de temperatura durante el día y las estaciones; las temperaturas
oscilan entre -15°C y 35°C; pueden ser:
13 Palabras en francés: Terrain = Terreno; Moyenne = Promedio; Eaux = Aguas.
14 Suelo radiante: es un sistema de calefacción que se hace por el suelo.
15 Ventilo convector de agua: utiliza el mismo principio de un radiador por donde circula agua caliente, lo que cambia
es que tiene un ventilador.
16 Multi Split: es un sistema que cuenta con una unidad compacta que contiene un condensador y compresor, en casi
todos los casos ubicada en el exterior del lugar a calentar, el evaporador esta en varias unidades ubicadas en los
lugares que se calentara, estas unidades son llamadas Split (este es un elemento que hace pasar el aire por su interior,
calentándolo).

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Tipo Fuente fría Fuente caliente
Aire /
Aire
Aire El aire pasa por el interior del evaporador y toma el calor de este
Aire /
Agua
Aire El fluido cede su energía a un sistema de distribución de agua caliente
para la calefacción por ejemplo suelo radiante
Tabla 1: tipos de bombas de calor Aerotérmicas
➢ Bombas de Calor Hidrotérmicas: el agua (agua subterránea, ríos o lagos) es la fuente fría;
para poder utilizarla es importante conocer el caudal17
o el volumen de agua presente:
Agua /
Agua
Agua El fluido cede su energía a un sistema de distribución de agua
caliente para la calefacción por ejemplo suelo radiante
Tabla 2: tipos de bombas de calor Hidrotérmicas
➢ Bombas de Calor Geotérmicas: el suelo es un generador de calor; a partir de 10m desde la
superficie, el suelo presenta aproximadamente una temperatura constante durante todo el
año; los tipos son:
Agua
glicol18
/
Agua
La captación se hace por medio de un
captador horizontal19
o sonda vertical20
en el suelo que contienen agua glicol
El fluido cede su energía a un sistema
de distribución de agua caliente para la
calefacción por ejemplo suelo radiante
Suelo /
Agua
El fluido refrigerante de la BC capta
directamente el calor durante su paso
por el suelo
El fluido cede su energía a un sistema
de distribución de agua caliente para la
calefacción por ejemplo suelo radiante
Suelo /
Suelo
El fluido refrigerante de la BC capta
directamente el calor durante su paso
por el suelo
El fluido refrigerante de la BC sede su
calor durante su paso por el suelo
radiante
Tabla 3: tipos de bombas de calor Geotérmicas
➢ Bombas de Calor Desechos térmicos: puede ser el agua de alcantarilla (agua usada) o el
aire viciado de un local o el desecho de un proceso industrial, el elemento que aporta el
calor (fuente fría); en la mayoría de los casos la captación se hace por medio de un circuito
intermedio de agua glicol:
Agua
glicol /
La captación se hace
sobre una fuente
El fluido cede su energía a un sistema de distribución de
agua caliente para la calefacción o algún otro proceso
17 Caudal: es por ejemplo la cantidad de agua que lleva un rio, se puede decir que cuando llueve aumenta el caudal.
18 Agua glicol: es conocida también como agua glicolada o mezcla de agua glicol; este fluido tiene la capacidad de
captar o ceder calor, esta propiedad se llama calor especifico.
19 Captor horizontal geotérmico: es una serie de tuberías en muchos casos de polietileno separadas a una distancia
aproximada de 50cm sobre la superficie de un terreno, la superficie la define las necesidades térmicas y el tipo de
suelo; estas se colocan entre 1m y 2m de profundidad; no se puede sembrar árboles sobre este lugar.
20 Captación por sonda vertical geotérmica: consiste en una o varias perforaciones de entre 15cm y 25cm de diámetro,
a profundidades entre 50m y 150m aproximadamente.

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Capitulo:3.Fluidosdelcircuitoofluidorefrigerante
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Agua liquida por medio de
un circuito de agua
glicol
Aire /
Agua
Capta se hace sobre
una fuente de aire
El fluido cede su energía a un sistema de distribución de
agua caliente para la calefacción o algún otro proceso
Tabla 4: tipos de bombas de calor desechos térmicos
3. Fluidos del circuito o fluido refrigerante
Es el fluido21
que circula de manera cerrada y cíclica dentro de una Bomba de Calor siendo el
responsable de captar el calor de la fuente fría y ceder calor a una fuente caliente; junto al
compresor es el elemento más importante de una BC; este fluido debe tener propiedades para
cambiar de fase liquida a vapor y viceversa. En la mayoría de los casos este fluido es un gas.
Resumen
La temperatura del agua, suelo, aire y desechos térmicos nos brinda una fuente de energía
renovable, gratis e inagotable que se puede aprovechar por medio de tecnologías como las
Bombas de Calor.
Saber más:
1. El principio termodinámico de Carnot: la Bomba de Calor es una maquina termodinámica,
sus principios fueron establecidos por el físico e ingeniero conocido como el padre de la
termodinámica el francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 182422
.
2. Los principios de la Bomba de Calor: el inglés Lord Kelvin también conocido como William
Thomson en 1852 utiliza los conceptos cíclicos de Carnot para establecer las bases para la
creación de las bombas de calor para enfriar o calentar.
3. Quien invento la Bomba de Calor: la primera bomba de calor data de 1940, y se le atribuye
al americano Robert C. Webber; pero la crisis petrolera de los 70’s impulso la investigación
en mejorar la eficiencia de estos equipos destacándose James Bose profesor de la
Universidad Estatal de Oklahoma.
21 Fluido: el termino engloba a los líquidos y gases.
22 En 1824, Carnot hace la presentación de este principio en su libro “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y
sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”; donde expone todas sus ideas que dan forma al
segundo principio de la termodinámica, donde introduce el principio de la transición cíclica y enuncia lo que hoy
conocemos como el principio o ciclo de Carnot (ciclo reversible ditermo, compuesto por dos transformaciones
isotérmicas y dos adiabáticas); más tarde estos trabajos fueron difundidos por el alemán Rudolf Clausius.

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Imagen 4: evolución histórica de la eficiencia del COP en las BC Aerotérmicas y geotérmicas [16]
4. Uso de las Bombas de Calor: las BC pueden ser utilizadas para calentar o refrigerar,
invirtiendo el ciclo del fluido refrigerante.
5. Funcionamiento de una Bombas de Calor: la imagen siguiente muestra un esquema de
cuáles son las temperaturas y presiones del fluido refrigerante dentro de la Bomba de
Calor.
Imagen 5: esquema de funcionamiento de una Bomba de Calor [12] 23
El esquema muestra el trabajo que hace el fluido refrigerante durante su circulación dentro
de la Bomba de Calor (BC); el fluido entra en el evaporador en forma líquida a 0°C y 2bars,
cuando capta el calor de la fuente fría cambia a un estado de vapor aumentando su
temperatura a 8°C y 2bars, ya listo para entrar en el compresor donde aumenta su presión
que hace aumentar su temperatura a 45°C y 10bars, continua al condensador donde cede
su calor a la fuente caliente saliendo con una temperatura de 35°C y 10bars, su siguiente
paso es la válvula de expansión donde baja su presión y su temperatura 0°C y 2bars,
estando el fluido listo para un nuevo ciclo.
6. Más información sobre los componentes de una de Bomba de Calor: los siguientes:
a. Fluido refrigerante: hasta los 80’s fueron utilizados los CFC (Cloro Fluoruro Carbono)
cómo el R12 y el R502 los cuales fueron suspendido24
por su daño al planeta;
23 Palabras en francés: Chaude = Caliente; Froide = Fría; Source = Fuente.

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actualmente y envía de dejar de ser utilizados están los refrigerantes sintéticos HFC
(Hidro Fluoruro de Carbonos)25
cómo el R134a, el R407c, el R404a, el R410a,
también están los fluidos refrigerantes de origen natural como el amoniaco (R717),
el CO2 (R744) y propano (R290) los cuales no son nocivos para la capa de ozono ni
para el efecto invernadero.
En la imagen siguiente se puede ver el ejemplo de un ciclo termodinámico de un
fluido refrigerante dentro de una Bomba de Calor, representado en el diagrama de
Mollier26
(cada fluido tiene su diagrama):
Imagen 6: ciclo termodinámico de un fluido refrigerante dentro de una Bomba de Calor (fuentes:
http://formation.cetiat.fr/fr/formation/conception-des-materiels-de-climatisation-et-des-pompes-a-
chaleur-pac,FLUID3.html y https://reseau.batiactu.com/Pompe-chaleur-geothermie-r4129)
Hay que recordar que el ciclo termodinámico de un fluido refrigerante muestra en
el diagrama de Mollier, como cambia de fase liquida a vapor -> líquido, después a
vapor y repite el ciclo.
Imagen 7: diagrama de Mollier de un fluido cualquiera [14]
Las situaciones por las que pasan los fluidos tienen nombres cómo:
24 Los CFC: son gases que fueron suspendidos por la destrucción que hacían a la capa de ozono.
25 Los HFC: son gases con efecto invernadero.
26 Diagrama de Mollier: es un plano semilogarítmico la presión vs entalpia de un fluido refrigerante; se utiliza para
estudiar sistemas o maquinas frigoríficas; la entalpia la cual tiene como símbolo la H, representa la cantidad de
energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.

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• Isotérmico: temperatura constante.
• Isoentálpica: entalpia27
constante.
• Isobárico: presión constante.
En resumen, el diagrama de Mollier de un fluido refrigerante, nos da los valores de
temperatura, presión y entalpia, durante el trabajo cíclico de una Bomba de Calor.
b. Compresor: este elemento puede ser un motor eléctrico para generar la energía
mecánica, a este lo llamamos Bomba de Calor eléctrica, son las más utilizadas,
también están las Bombas de Calor con gas donde un motor alimentado con gas
genera mucha más potencia.
Para tener una BC aún más eficiente, verde o sostenible la electricidad que
consuma el compresor puede ser renovable por medio de un sistema solar
fotovoltaico.
c. Acumulador: del lado del utilizador la fuente caliente puede calentar agua que se
puede almacenar en un balón o tanque.
7. Tipos de funcionamientos de una Bomba de Calor: las BC pueden ser utilizadas para
calentar el fluido de un sistema de calefacción en un edificio; esta se puede dar de 4
formas:
Modo de
funcionamiento
Producción
de calor
Parte anual de
utilización de la BC
Funcionamiento
Monovalente BC
únicamente
100% La BC se ocupa completamente de calentar
el edificio
Mono
energético
BC y un
refuerzo
eléctrico
Entre 95% y 98% La BC funciona hasta cierta temperatura,
cuando esta no tiene la temperatura
necesaria el refuerzo eléctrico ayuda como
complemento para lograr la temperatura
que necesita el sistema para calentar
Bivalente
paralelo
BC y una
caldera
necesaria la caldera ayuda como
complemento para lograr la temperatura
que necesita el sistema para calentar
Bivalente
alternativo
BC y una
caldera
necesaria para trabajar se para y es la
caldera quien se ocupa al completo
Tabla 5: tipos de funcionamiento de las BC
27 Entalpia: representa la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.

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8. Clasificación de las Bomba de Calor según la forma de captar la fuente fría: según la
dificultad para la captación o la posibilidad de causar daño28
a la BC la fuente fría puede ser
tomada directamente o indirectamente con un circuito intermedio.
Imagen 8: ejemplos de fuente fría directa e indirecta [5]
Una de esas fuentes frías indirecta o intermediaria es el Agua glicol; importante
mencionar que hay una gran diferencia entre el agua y agua glicol; las
concentraciones pueden ser de 30% y 50% en función de la fuente fría y la
temperatura que necesita el evaporador.
Esa circulación también tiene una clasificación según la forma en que circula el
fluido por la BC para captar el calor de la fuente fría y para cederlo en la fuente
caliente; esta clasificación es la siguiente:
i. BC trabajo directo: donde el fluido refrigerante de la BC es quien tiene
contacto directo, el condensador con la fuente fría y el evaporador la
fuente caliente; ejemplo aire / aire.
ii. BC trabajo mixto: donde el fluido refrigerante circula de forma cerrada
dentro de la BC, el evaporador es quien capta directamente la fuente fría y
el condensador cede indirectamente el calor a un circuito cerrado
intermediario; ejemplo aire / suelo, suelo / agua; también puede ser el
mismo componente, pero del lado fuente fría (evaporador).
iii. BC trabajo de fluidos intermediarios: el fluido refrigerante circula dentro
de la BC, un circuito intermediario cerrado de agua caliente es la fuente
caliente que toma el calor del condensador y otro circuito cerrado
intermediario que contiene agua o agua glicol se encarga de captar el calor
como fuente fría pasándolo al evaporador; ejemplo agua / agua, agua
glicol / agua.
28 Por ejemplo, puede causarle corrosión.

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9. Clasificación de las Bomba de Calor: ya se mencionó que las BC se clasifican en 4 grupos
según la forma de captar el calor del medio ambiente, estas son las Aerotérmicas,
Hidrotérmicas, Geotérmicas y Recuperadoras de calor:
a. Bombas de Calor Aerotérmicas: la fuente fría es el aire exterior, este tipo de BC
pueden ser Aire / Agua siendo un Multi Split cómo fuente caliente, un ejemplo
completo está en la imagen siguiente.
Imagen 9: Bomba de Calor Aire / Agua, con un sistema multi Split (fuente:
http://www.gasfriocalor.com/bomba-de-calor-samsung-rd140phxea-unidad-
exterior)
El aire que se capta del lado de la fuente fría puede ser de 2 formas:
i. Dinámica: donde un ventilador es utilizado para barrer una parte del aire
que se necesita como fuente fría para intercambiar con el fluido
refrigerante; interesante porque es una tecnología que utiliza poco
espacio, pero puede ser desagradable por el ruido que el ventilador
produce.
ii. Estático: el captor es de gran dimensión para que circule el aire de forma
natural y pueda ser captado (no necesita de un ventilador); usa un circuito
intermedio que contiene un fluido agua glicol.
Las Bombas de Calor aire no necesitan de autorización especial para instalarse.
b. Bombas de Calor Hidrotérmicas: la fuente fría es el agua de un lago, agua
subterránea, rio o un estanque; su captación se puede hacer directa o
indirectamente por medio en un circuito intermediario se dividen en:
i. El agua subterránea: esta agua puede tener una temperatura media de
7°C a 12°C relativamente constante durante el año.

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Este potencial es dado el agua que se filtra por rocas de tipo porosas
(éboulis, arena); se puede decir que cerca de un rio o un lago se
encontrara este recurso. Esta agua subterránea se puede encontrar a
partir de 4m aumentando su temperatura con la profundidad, la cual tiene
influencia del agua que se filtra desde la superficie y de la temperatura
exterior.
Para el uso de esta fuente se debe tener una autorización y la captación se
hace por medio de un circuito intermedio en la mayoría de los casos.
ii. El agua de superficie (lagos, ríos y estanques): esta agua tiene una
variación de temperatura durante el año, motivo por el cual no es
conveniente hacer un sistema monovalente; la captación puede ser
estática donde el evaporador está dentro del agua o dinámica cuando se
utiliza un circuito intermediario.
Imagen 10: la temperatura del agua es captada indirecta por un intercambiador
con un circuito intermediario [5] 29
c. Bombas de Calor Geotérmicas: en función de la profundidad, el suelo presenta
temperaturas relativamente constantes durante todo el año.
El calor del suelo hasta aproximadamente 2m es el calor de los rayos de sol; el
poder calorífico o fuente de calor del suelo depende de la naturaleza del suelo, las
condiciones atmosféricas y su contenido de agua.
Se dividen según su forma de captación:
i. Captación horizontal: la captación se hace atreves de una red de tubos
sintéticos enterrados entre 0.6m y 1.6m, beneficiándose de la inercia
térmica del suelo en invierno y verano; el aporte térmico podría estar
entre 10W/m2 para suelos secos y 30W/m2 para suelos húmedos. Algunas
29 Palabras en francés: Mur = Muro; Vers = Dirección; Eau = Agua.

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regiones ponen a disposición información sobre el potencial térmico del
suelo cómo en la región de Vendée en Francia.
Imagen 11: potencial térmico del suelo para una aplicación de una BC geotérmica
horizontal [9]
La temperatura a una profundidad de 0.8m en promedio tiene durante el
año una temperatura entre -5 y 17°C (en Vendée - Francia); este calor es
aportado por los rayos de sol, las lluvias y la temperatura exterior, todo en
función del tipo de suelo.
Imagen 12: Bomba de Calor Suelo / Suelo, con un sistema geotérmico horizontal (fuentes:
http://www.solargal.com/servicios/geotermia-0537s.html y
https://reseau.batiactu.com/Pompe-chaleur-geothermie-r4129)
Las BC geotérmicas horizontales, es una solución simple; de manera
general se utiliza agua glicol, pero el inconveniente es que según las
necesidades térmicas se necesita una gran superficie.
ii. Captación vertical: la captación se hace por medio de sondas geotérmicas
que son tubos de polietileno30
(PE) en U, casi siempre dentro de este
30 Polietileno (PE): es un polímero simple, utilizado para una gran cantidad de productos.

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circuito va agua glicol también se utiliza CO2 en estado líquido; estas
sondas se introducen en las perforaciones que se realizan; la profundidad
está relacionada con las necesidades térmicas y el tipo de suelo donde se
instalara el sistema. El potencial térmico del suelo puede variar entre
25W/m y 80W/m; la profundidad es entre 50m y 350m; es importante
mencionar que una captación vertical necesita una superficie más
pequeña que una captación horizontal; se pueden colocar varias sondas a
una distancia de 6m y 10m entre ellas. El suelo puede aportar
temperaturas entre 3 y 5°C.
La imagen siguiente muestra la carta del potencial geotérmico de la región
de Cataluña en España.
Imagen 13: potencial geotérmico para el estudio de un proyecto BC geotérmica
vertical [10]
Para instalar este sistema hay que tener en cuenta: 1. El tipo de suelo, 2. El
número de sondas, 3. La profundidad de la sonda, 4. La distancia entre
sondas, 5. El diámetro de los tubos de la sonda. Es importante decir que
para aplicar esta técnica se necesita un permiso especial.

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Capitulo:Sabermás:
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Imagen 14: ejemplo de instalación de BC geotérmica vertical con una sonda
doble U [10] [11]
d. Desechos térmicos: también llamado recuperación de calor31
, donde se valorizan los
desechos como el agua de alcantarilla (también llamada agua usada), el aire usado
(también llamado aire viciado) y los desechos de procesos industriales como aire o
líquidos; los tipos de desechos térmicos para la BC son:
i. Agua usada: la recuperación se puede hacer en tres lugares 1. a la salida
del edificio, 2. en las canalizaciones de alcantarilla de las ciudades y 3. a la
salida de las estaciones de tratamiento de agua; en una ciudad como
Burdeos en Francia la temperatura media del agua que circula por las
alcantarillas esta entre 13°C en invierno y 20°C en verano. En la imagen
siguiente se puede ver un esquema representativo de cómo es una
instalación que recupera calor del agua usada, también una foto de cómo
es el circuito intermediario para captar el calor (fuente fría) en las
canalizaciones.
Imagen 15: Bomba de Calor Agua glicol / Agua, sistema de recuperación de calor de aguas
usadas (fuentes: http://www.plateformesolutionsclimat.org/solution/degres-bleusr-
recuperer-les-calories-des-eaux-usees-pour-chauffer-ou-climatiser-tous-types-de-
batiments/ y [4])
31 Recuperación de calor: entre las tecnologías de recuperación de calor están los intercambiadores de calor.

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Para la captación es importante tener un caudal constate con el objetivo
que cubra el circuito intermediario que tomara el calor.
ii. Aire usado: el aire también es una fuente de energía como el que se
evacua de locales donde están animales o personas.
En un establo con animales se puede hacer una clara recuperación de
energía por medio de la temperatura del aire que circula; por ejemplo,
una vaca de 500kg expulsa 1000W de calor corporal, un cerdo de 100kg
expulsa 200W; este calor puede ser utilizado como fuente fría; un
esquema de recuperación del aire de un establo se puede ver en imagen
siguiente.
Imagen 16: esquema de recuperación de calor del aire caliente de un establo de
animales [13]
iii. Desechos industriales: el vapor y el agua de procesos industriales son
también una fuente de recuperación de energía, colocando tecnologías
como las BC.
10. Fuente caliente: las Bombas de Calor pueden hacer aportes de energía de tipo a baja
temperatura en la cual pueden aportar temperaturas entre 35°C y 45°C, y las de alta
temperatura más de 55°C; podemos mencionar:
a. Aire: este fluido presenta una baja inercia térmica32
que permite tomar
temperaturas rápidamente, pero en forma contraria se sentirá frio rápidamente
cuando el sistema pare, lo anterior es un inconveniente o un beneficio según su
tipo de uso; esta tecnología puede ser de 2 tipos:
i. Instalación centralizada: donde un solo condensador se ocupa de la
distribución de calor.
32 Inercia térmica: esto significa, por ejemplo, donde busca que el almacenamiento de calor se haga en las paredes o
suelo.

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ii. Instalación descentralizada: donde hay presente varios ventilo
convectores que se encargan de calentar varios locales (ex: Multi Split).
b. Agua: del lado de la fuente caliente se utiliza un circuito cerrado de agua que el
evaporador calienta a baja temperatura; podemos mencionar:
i. Suelo radiante: también conocido como calefacción en el suelo, esta
tecnología es de gran uso en Europa, además del suelo es posible de
hacerlo con las paredes (pocas veces utilizadas); la temperatura que se
utiliza es entre 30 y 35°C, esta técnica utiliza una buena inercia térmica
como principio, donde como inconveniente tiene la limitación para los
cambios rápidos de temperaturas (esto puede ser un inconveniente o un
beneficio según el tipo de uso).
Imagen 17: ejemplo de calefacción en el suelo o suelo radiante (fuentes:
http://www.travaux.com/dossier/chauffage/10351/Chauffage-au-sol-:-un-plancher-
chauffant-offre-un-nouveau-confort.html)
ii. Ventilo convector: esta es una tecnología semejante a un radiador por
donde circula agua caliente que tiene como elemento adicional un
ventilador.
c. Suelo: trabaja como un suelo radiante solo que el fluido refrigerante de la BC
circula por el suelo haciendo el papel del condensador.
11. Designación de una Bomba de Calor: en el mercado se encuentra con la siguiente
designación W10/W45, esto quiere decir Agua / Agua, a 10°C fuente fría y 45°C fuente
caliente (temperatura a la que saldar el agua).
12. COP teórico (COPteorico) o ideal de una Bomba de Calor: es la relación de Tc = Temperatura
fuente caliente (°C) y la To = Temperatura del evaporador fuente fría.
𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 =
𝑇𝑐
𝑇𝑐 − 𝑇𝑜

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Capitulo:Sabermás:
18
El COP puede ser dado también por la potencia del evaporador para calentar y la potencia
del compresor en KW. Es importante mencionar que la temperatura se coloca en grados
kelvin T(K) = 273 + Valor en °C.
Por definición el COP de una BC se es dado por la ecuación COP = Qc / Wth; en la tabla
siguiente se pueden ver valores de COP
Fuente fría y Caliente COP
Aire / Agua 3
Suelo / Agua 4
Agua / Agua 4.5
Tabla 6: algunos ejemplos de COP (fuente: Minergie33
)
La potencia calorífica de la fuente caliente34
es Qc = Qo + Wth; salen las siguientes
ecuaciones:
𝑄𝑐 =
𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃 − 1
∗ 𝑄𝑜
𝑊𝑡ℎ =
𝑄𝑜
𝐶𝑂𝑃 − 1
13. Interpretación de un diagrama de Mollier en una Bomba de Calor: en el siguiente diagrama
se pueden ver los valores de entalpia para un control del COP teórico.
Imagen 18: diagrama de Mollier de un gas cualquiera [14]
33 Minergie: https://www.minergie.ch/fr/certifier/minergie/
34 Qc: donde Qo es la potencia de la fuente fría, y Wth la potencia del compresor.

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19
Utilizando el grafico anterior se puede calcular la cantidad de calor cedido por el
condensador35
con Qc = H2 – H4; para calcular el calor absorbido por evaporador de la fuente
fría Qo = H1 – H5; para estimar el trabajo que necesita dar el compresor Wth = H2 – H1.
Ya se mencionó el COPteorico = Tc / (Tc – To), este valor también puede ser calculado con COP =
Qo/Wth, que también puede ser COP = (H1 – H5) / (H2 – H1).
14. COPA es el coeficiente de rendimiento anual de una Bomba de Calor: se puede dar la
eficiencia de la BC durante todo el año.
𝐶𝑂𝑃𝐴 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙 𝑎ñ𝑜
15. Información técnica de una BC: los fabricantes de BC entregan el COP en función de la
temperatura de la fuente fría; en la imagen siguiente se puede ver que si la temperatura es
baja el COP baja también.
Imagen 19: COP de una BC con agua glicol (fuente: http://www.ef4.be/fr/pompes-a-chaleur/technique-
generalites/coefficient-de-performance.html)
En la gráfica anterior se puede estimar que, para una temperatura en el evaporador de
45°C, si la temperatura del agua glicol (fuente fría) en el condensador es de 10°C el COP es
de 4.2.
El ejemplo de la Bomba de Calor ALEZIO36
AWHP 6 MR-11, la cual tiene la posibilidad de
invertir su ciclo para poder calentar o enfriar.
35 H: es la entalpia dentro del diagrama de Mollier.
36 ALEZIO: http://www.enrdd.com/documents/documents/Documentation-
Constructeurs/De%20Dietrich/ALEZIO%20NOTICE%20TECHNIQUE.pdf.

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Imagen 20: información técnica de la Bomba de Calor AWHP 6 MR-11
En la ficha técnica de la BC se observa el que es un sistema Aire / Agua; trabaja en una
temperatura del aire entre -20°C y 35°C; tiene una potencia calorífica (fuente caliente) de 5.73KW,
un COP (BC para calentar) de 3.93 y una potencia eléctrica en el compresor de 1.46KW; en la
imagen siguiente se puede ver el comportamiento de la BC en función de la temperatura exterior.
Imagen 21: información sobre el comportamiento de la Bomba de Calor AWHP 6 MR-11 en función de la
temperatura; obtenido el COP y la potencia calorífica en la fuente caliente
16. Las Bombas de Calor en Suiza: esta tecnología es cada vez más usada, principalmente para
calentar:
a. Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta 2015, las cuales van en crecimiento:

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Imagen 22: Bomba de Calor instaladas en Suiza hasta el 2015 [7]
b. Los tipos de Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta 2015, en primer lugar,
están las Aire / (Agua, Aire) con el 64.14% (sumando 31.47%, 13.31% y 19.36%):
Imagen 23: tipos de Bombas de Calor instaladas en Suiza hasta el 2015 [7]
17. Costos de una BC: los costos de inversión en un proyecto de BC en Bélgica en 2010 son los
siguientes:
Tipo de BC Inversión en Euro sin TVA (Euro / m2 calentado)
aire / aire Entre 50 y 90
aire / agua Entre 70 y 120
agua / agua Entre 100 y 150
agua glicol / agua Entre 100 y 160
suelo / suelo Entre 110 y 160
suelo / agua Entre 110 y 160
Tabla 7: inversión BC, en euros y sin TVA [1]

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22
18. Ejemplos de cálculos: están los siguientes ejemplos:
a. Ejemplo 1 – BC Geotermia vertical: un terreno que genera 60W/m en
profundidad; se planea utilizar una BC Agua – Glicol / Agua que tiene una Qc
(potencia térmica) de 15KW y una Wth (Potencia de absorción en el compresor)
de 3KW; estimar cuantas sondas hay que colocar:
Potencia del terreno es igual a Qo = 15 – 3 = 12KW = 12’000W
Profundidad de la sonda vertical: 12’000W / 60W/m = 200m; esto puede ser dos
sondas de 100m.
b. Ejemplo 2 – BC Hidrotérmica para agua subterránea: una reserva de agua
subterránea a Tagua = 13°C, será utilizada como fuente fría en una BC agua/agua
de 80KW de Qo y un COP de 3.5, para calentar una casa; las horas de utilización
por año es de 2’100h:
𝑄𝑐 =
𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃 − 1
∗ 𝑄𝑜
𝑊𝑡ℎ =
𝑄𝑜
𝐶𝑂𝑃 − 1
Qc = (3.5/(3.5 – 1))x80KW = 112KW y Wth = 80/(3.5 – 1) = 32KW.
Energía eléctrica anual consumida por la BC = 32KW x 2’100h =
67’200KWh.anual.
c. Ejemplo 3 – BC Hidrotérmicas de agua subterránea: una reserva de agua
subterránea a Tagua = 14°C, por reglamentación el agua que se expulsa después
de ser utilizada en el evaporador, debe tener una temperatura mínima de Texp =
10°C; el caudal de circulación del circuito que atraviesa el evaporador es de 15l/s
= 15kg/s y tiene un COP de 3.5; no se conocen las potencias; las horas de
utilización por año es de 2’100h:
La potencia es dada por la siguiente ecuación37
:
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝐷𝑒𝑙𝑡𝑎_𝑇
37 Ecuación de potencia: m = es el caudal dado en kg/s; Cp = calor especifico kJ/K.kg, para el agua el valor es 4.185;
Delta_T diferencias de temperaturas en grados kelvin °K.

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23
Qo = 15kg/s x 4.185Kj/K.kg x (14 – 10)K = 251.1 KW
Qc = (3.5/(3.5 – 1))x251.1KW = 351.5KW y Wth = 251.1/(3.5 – 1) = 100KW.
Energía eléctrica anual consumida por la BC = 100KW x 2’100h =
210’000KWh.anual.
d. Ejemplo 4: en la planificación de la instalación de una Bombas de Calor en una
casa individual, con un sistema de calefacción a baja temperatura, necesita
12KW (Qc) para calentar a 45°C la temperatura del agua del sistema (Tc). Se
propone un sistema geotérmico vertical a una profundidad de 100m con 2
perforaciones y un otra BC aire. Se pregunta:
1. Estimar teóricamente el COP (COPgeo y COPair) de los 2 sistemas.
2. Comparar económicamente el costo anual del uso de las 2 opciones,
sabiendo que el precio de la electricidad es 10, 20 y 30 cts/KWh (0.1, 0.2 y
0.3 CHF).
En la tabla siguiente están los datos adicionales del ejemplo:
Valores Geotérmica Aire
Temperatura de la fuente fría (Tfuente_fria) 12°C 2°C
Eficiencia de la Bomba de calor 50% 50%
Hora de operación anual (top) 4‘800 h/yr 4‘800 h/yr
Interés financiero 6% 6%
Años de vida útil 20yr 20yr
Estimación de la inversión 1’000 CHF/KW 1’600 CHF/KW
Valor estimación perforación sonda geotérmica 80 CHF/m -
Tabla 8: datos del ejemplo (valores que se pueden conseguir en una ficha técnica de una
Bomba de Calor que se encuentra en el mercado)
Lo primero es calcular el COP teórico (COPth); la temperatura de fuente caliente es
la misma para los 2 sistemas Tc = 45°C.
𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑔𝑒𝑜 =
273 + 45°𝐶
(273 + 45°𝐶) − (273 + 12°𝐶)
𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑎𝑖𝑟 =
273 + 45°𝐶
(273 + 45°𝐶) − (273 + 2°𝐶)
Obtenemos que el valor de COPteorico,geo = 9.6 y COPteorico,air = 7.4; estos
valores los utilizamos para calcular el valor real COP de cada opción teniendo en
cuenta la eficiencia de los equipos este valor lo utilizamos.
𝐶𝑂𝑃𝑔𝑒𝑜 = 50% ∗ 𝐶𝑂𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑔𝑒𝑜

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24
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑖𝑟 = 50% ∗ 𝐶𝑂𝑃𝑡ℎ, 𝑎𝑖𝑟
El COP para la Bomba de Calor geotérmica es COPgeo = 4.8 y para la Bomba de
Calor Aire es COPair = 3.7; ya se puede responder la primera pregunta, en la cual la
eficiente de la Bomba de Calor geotérmica que la Bomba de Calor aire.
Para responder la pregunta 2 sobre la comparación económica de las 2 opciones, se
utiliza la ecuación:
𝐶ℎ𝑒𝑎𝑡 =
𝐴𝑦𝑟 + 𝐶𝑒𝑙𝑒𝑐, 𝑦𝑟
𝑄𝑦𝑟
Donde Ayr es la anualidad38
del costo de la inversión y Celec,yr es el costo anual de
operación representado en el consumo eléctrico que necesita una Bomba de Calor
para funcionar, el Qyr es el consumo energético anual.
Para conocer el Qyr (es igual para las 2 opciones) se utiliza el valor de la potencia
multiplicada por las horas de uso:
𝑄𝑦𝑟 = 12𝐾𝑊 ∗ 4′800ℎ = 57′600𝐾𝑊ℎ
Para el Celec,yr tenemos que tener presente la energía que necesita el compresor el
cual se puede obtener con el COP (geo,air); la ecuación es la siguiente:
𝐶𝑒𝑙𝑒𝑐, 𝑦𝑟, (𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) = 𝐶𝑒𝑙𝑒𝑐 ∗ 𝑡𝑜𝑝 ∗ 𝑊𝑡ℎ, (𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟)
Donde el Celec es el costo de la electricidad (10, 20 y 30 cts/KWh), top es el tiempo de
operación (top) el cual es 4’800h y Wth [KW] es la potencia del compresor; el ultimo
valor se obtiene de:
𝑊𝑡ℎ, (𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) =
𝑄𝑐
𝐶𝑂𝑃(𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟)
El resultado de los cálculos es el siguiente:
𝑊𝑡ℎ, 𝑔𝑒𝑜 =
12𝐾𝑊𝑡ℎ
4.8
𝑊𝑡ℎ, 𝑎𝑖𝑟 =
12𝐾𝑊𝑡ℎ
3.7
Los resultados son Wth,geo = 2.5KW y el Wth,air = 3.2KW; la tabla de comparación
de costos anual es la siguiente:
38 Anualidad: son los pagos anuales, del costo de un proyecto, teniendo presente el interés anual y la duración de vida
útil.

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Capitulo:Sabermás:
25
Tabla 9: comparación de los costos anuales de las 2 opciones
La tabla anterior muestra que la opción de Bomba de Calor geotérmica consume
menos energía y por hecho menos costos anuales.
Para el costo de la inversión de toda la instalación se utiliza la ecuación39
siguiente:
𝐶𝑖𝑛𝑣, 𝑔𝑒𝑜 = 𝐶𝑖𝑛𝑣, 𝑄𝑐, 𝑔𝑒𝑜 + 𝐶𝑖𝑛𝑣, 𝑔𝑒𝑜, 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟 = 1′
000 ∗ 12 + 80 ∗ 100 ∗ 2
𝐶𝑖𝑛𝑣, 𝑎𝑖𝑟 = 𝐶𝑖𝑛𝑣, 𝑄𝑐, 𝑎𝑖𝑟 = 1′
600 ∗ 12
El costo de la instalación con Bomba de Calor geotérmica es Cinv,geo = 28’000 CHF
(en esta instalación se tiene presente las 2 perforaciones de 100m, la cual cuesta
80CHF/m), para la Bomba de Calor aire Cinv,air = 19’200CHF siendo esta la más
económica.
Para calcular la anualidad que es el costo de la instalación repartida por los 20ans
de vida útil para las 2 opciones, teniendo en cuenta el interés anual i = 6%.
𝐴𝑦𝑟, ( 𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) = 𝐶𝑖𝑛𝑣, (𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) ∗
𝑖
1 − (1 + 𝑖)−𝑛
El valor anual a pagar por 20ans para la Bomba de Calor geotérmica Ayr,geo = 2’267
CHF, la Bomba de Calor aire Ayr,air = 1’395 CHF siendo esta última por la que se
pagara menos por año.
39 Ecuación: Cinv,geo = costos inversión BC Geotérmica; Cinv,Qc,geo = costos inversión según potencia condensador
BC geotérmica; Cinv,geo,perf = costos inversión geotérmica perforación; Cinv,air = costos inversión BC aire; Cinv,Qc,air
= costos inversión potencia condensador BC aire.
0.1 CHF/KWh 0.2 CHF/KWh 0.3 CHF/KWh
Cele,yr,geo 1 776 3 552 5 328
Cele,yr,air 2 304 4 608 6 912
0
2 000
4 000
6 000
8 000
Comparación de los costos anuales
Cele,yr,geo Cele,yr,air

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Capitulo:Sabermás:
26
Para conocer el costo que tendrá cada KWh de calor utilizamos la ecuación:
𝐶ℎ𝑒𝑎𝑡, (𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) =
𝐴𝑦𝑟,(𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟) + 𝐶𝑒𝑙𝑒𝑐, 𝑦𝑟,(𝑔𝑒𝑜. 𝑎𝑖𝑟)
𝑄𝑦𝑟
Los valores teniendo presente el costo de la electricidad, el resultado es el
siguiente:
Tabla 10: comparación del valor de cada KWh energía de las 2 opciones
Este ejemplo concluye que la Bomba de Calor Geotérmica es más eficiente
consumiendo menos energía eléctrica, pero la instalación de Bomba de Calor aire su
costo de inversión es menor.
19. Paginas interesantes: en las páginas siguientes se puede encontrar información
complementaria:
a. Información de sobre las BC En Francia: http://www.geothermie-
perspectives.fr/
b. En Suiza: https://pacinfo.ch/
c. En España:
http://idae.electura.es/publicacion/250/evaluaci%EF%BF%BDn_potencial_energ
%EF%BF%BDa_geot%EF%BF%BDrmica
d. Página del potencial geotérmico mundial:
https://irena.masdar.ac.ae/GIS/?map=1046
e. Potencial geotérmico en Perú:
http://www.arcgis.com/home/webmap/viewer.html?webmap=541b8ea3f0bf4b
1cb482f4ae72d9548e
0.1 CHF/KWh 0.2 CHF/KWh 0.3 CHF/KWh
Cheat,geo 0,0551 0,0859 0,1167
Cheat,air 0,0794 0,1194 0,1594
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
Comparación valor de cada KWh energía
producido durante los 20ans
Cheat,geo Cheat,air

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Capitulo:Referenciasbibliografías
27
f. La utilización de Bombas de Calor en Colombia para climatizar piscinas; en la
siguiente página de Astralpool hay ayudas para hacer estimaciones:
https://www.astralpool.com/configurador-de-bombas-de-calor/
Referencias bibliografías
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Javier TRESPALACIOS
Capitulo:¿QueesETO?
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[16] acd2 (2011). Les Pompes à Chaleur. Recuperado el 21 de diciembre 2014,
http://www.acd2.com/acd2.php?rubrique31
***
¿Que es ETO?
ETO es Energía para TOdos, es un proyecto que busca que cualquier persona sin formación técnica
pueda conocer fácilmente la energía y hacer estimaciones energéticas; esto ayudara a la
innovación, y a la generación de propuestas que sirvan para un desarrollo económico en una
región.
JT@: jtrespalacios@bluewin.ch y javier.trespalacios@ecotechsy.ch
Derechos reservados de Javier Trespalacios40
y Ecotechsy (http://ecotechsy.ch/)
Versión41
40 Javier Trespalacios; Ingeniero Mecánico, Master en Energía Renovables; visitar https://j3palacios.wordpress.com/
41 ETO: Versión V01: 12.08.2015

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