No esta por demás recordar una manera diferente de la combinación calefacción y enfriamiento en una unidad es la bomba de calor, conocida también generalmente como unidad de ciclo reversible para calefacción y enfriamiento. Ambos nombres significan lo mismo: un sistema en el cual el equipo de refrigeración es usado en tal forma que toma calor de una fuente para entregarlo al espacio acondicionado cuando éste requiere calefacción, o que remueve el calor del espacio acondicionado y lo descarga fuera cuando se desea enfriamiento.

Después de la segunda Guerra Mundial, las instalaciones de aire acondicionado se multiplicaron tanto que la carga eléctrica debida al acondicionamiento del aire durante el verano sobrepasó el consumo debido a la calefacción durante el invierno. Cuando esta situación se hizo notoria, las compañías de electricidad, debido a factores económicos, comenzaron a promover activamente el uso de bombas de calor totalmente eléctricas con el objeto de equilibrar las cargas que tenían durante el verano y el invierno.

Puesto que el agua, a la temperatura, cantidad y costo apropiados no está generalmente disponible para uso en aire acondicionado y puesto que los serpentines enterrados son demasiado grandes y costosos, se ha recurrido al siguiente medio más práctico que es el aire, llegando éste a ser ahora la principal fuente de calor. El desarrollo de estos equipos fue paralelo al de los equipos enfriados por aire y las actuales bombas de calor son conocidas como unidades de aire a aire.

Examinemos ahora el ciclo de la bomba de calor de aire a aire. Primero, si recordamos el ciclo de enfriamiento convencional, encontramos que el calor es absorbido por el evaporador interno y descargado por el condensador exterior enfriado por aire. Si se pudiera físicamente reversar los componentes y absorber calor del aire exterior y, por medio del refrigerante, descargarlo en el espacio interior, entonces se obtendría un sistema de calefacción. Esto es exactamente lo que hace la bomba de calor con su ciclo reversible, excepto que realmente los serpentines del evaporador y condensador no son intercambiados de sitio. Esto se logra por medio de una válvula reversible, en la cual se puede controlar la dirección del flujo del refrigerante para que produzca frío o calor dentro del área acondicionada. Así pues, el ciclo de la bomba de calor queda conformado como lo ilustra la figura 1.
De ahora en adelante nos referiremos a los serpentines únicamente como el serpentín interior y el exterior. La válvula reversible dirige la descarga y la succión del gas como lo indican las flechas. Válvulas cheque se instalan a la salida de cada serpentín para ayudar a controlar el flujo. Siga cuidadosamente las flechas que indican el flujo durante el enfriamiento. El gas de la descarga entra en el serpentín exterior de modo usual. Este gas es condensado y fluye hacia la derecha a través de la válvula check No.1 abierta, puesto que no es posible forzar refrigerante líquido a alta temperatura a través de la válvula de expansión en sentido inverso al normal. La válvula check No. 2 está cerrada, de modo que el refrigerante líquido pasa por la válvula de expansión interior (TVX o tubo capilar) y se evapora del modo usual. El gas de succión sale por la parte alta del serpentín interior y es llevado hasta el compresor a través de la válvula reversible.

Durante la calefacción, el sistema se invierte. El gas descargado por el compresor va hasta el serpentín interior donde entrega su calor y es condensado. La válvula check No. 2, abierta al flujo, hacia la izquierda. La válvula check No.1 está ahora cerrada al flujo y el líquido se ve obligado a pasar a través de la válvula de expansión hasta el serpentín exterior donde es evaporado absorbiendo el calor.

El elemento adicional de mayor importancia que encontramos en una bomba de calor es el acumulador de la línea de succión, el cual protege el compresor de inundaciones con refrigerante líquido durante la inversión del ciclo (de calefacción a enfriamiento y viceversa) y durante el ciclo de descongelamiento. El volumen físico de este elemento depende de la capacidad de la unidad. Su forma es una función del fabricante.

La explicación anterior ilustra cómo opera un sistema de bomba de calor. En los equipos de los distintos fabricantes hay algunas variaciones en el diseño del sistema y en los componentes, pero el resultado final es esencialmente el mismo. El técnico del aire acondicionado está generalmente mejor familiarizado con la marca de bomba de calor que instala y la cual presta servicio, llegando a conocer sus especificaciones y características operacionales a fondo.

Una válvula reversible típica internamente está compuesta de dos pistones que conforman un carreto que desplaza dentro de un cilindro con dos aberturas. La ilustración Fig. 2-A y Fig. 2-B muestra las fases de calefacción y enfriamiento.

La válvula de cuatro vías reversible es accionada por una válvula solenoide que usa el gas a alta presión del compresor para mover el carreto hacia la izquierda o derecha dependiendo de qué fase de la operación se necesite.

El vástago de la válvula solenoide cambia la línea de desfogue de acuerdo con el modo de operación. Las líneas blancas delgadas en los pistones representan orificios de diámetro muy reducido a través de los cuales el gas a alta presión puede pasar lentamente haciendo el accionamiento de la válvula mucho más suave y silencioso.

 

 

En el momento del cambio de una fase a otra, una variación demasiado rápida en las presiones podría resultar en excesivo ruido y sacudidas del sistema.

Cuando la bomba de calor está operando en el ciclo de calefacción y el refrigerante se está evaporando en el serpentín exterior, la temperatura en la superficie del serpentín puede caer por debajo de los 0º C (32º F) y comenzará a aparecer escarcha sobre éste. Si se permite que el congelamiento continúe, aumentará gradualmente la capa de hielo hasta que el flujo del aire a través del serpentín quede obstruido.

Esto disminuirá la transferencia de calor y la eficiencia del sistema se verá seriamente afectada. Así pues, se hacen necesarios periódicos ciclos de descongelamiento para derretir el hielo.

El proceso de descongelamiento consiste simplemente en invertir el flujo del gas caliente y llevarlo hasta el serpentín exterior por un periodo lo suficientemente largo para derretir el hielo, el ventilador exterior permanece “apagado” durante este tiempo.

No se está produciendo calefacción dentro del espacio acondicionado (realmente el serpentín exterior está enfriando) de modo que es necesario proveer calor suplementario usando las resistencias eléctricas instaladas en la sección interior.

El arranque y parada del ciclo de descongelamiento se logra a través de varias técnicas.

Un método para iniciar automáticamente el ciclo de descongelamiento es midiendo la caída de presión del aire a través del serpentín exterior.

A medida que el hielo aumenta sobre el serpentín, se hace más difícil para el aire encontrar un paso a través del serpentín haciendo que la presión en el lado de la salida disminuya y que la presión en el lado de la entrada aumente.

Cuando la diferencia entre las presiones alcanza un valor predeterminado en un control, la válvula reversible será activada.
Otro medio muy popular de iniciar el ciclo de descongelamiento usa una combinación de tiempo y temperatura. El mecanismo de un reloj se calibra para invertir el flujo del refrigerante cada ciertos intervalos predeterminados.

Sin embargo, si la temperatura del serpentín está por encima de los 0º C (32º F), el ciclo de descongelamiento no podrá arrancar.

El reloj continúa a través de todo su ciclo y al siguiente punto predeterminado, la temperatura es verificada de nuevo y el ciclo de descongelamiento arranca solamente si las condiciones de temperatura en el exterior son suficientemente bajas como para que se forme hielo.

Ahora veamos cómo el ciclo de descongelamiento puede ser detenido. Varios métodos diferentes han sido usados; uno basado en tiempo, otro basado en temperatura y un tercero basado en presión.

Un mecanismo temporizador puede ser activado cuando el ciclo de descongelamiento arranca de modo que se mantenga activo por un determinado periodo de tiempo. Al final de este periodo de tiempo la válvula reversible regresa de nuevo al ciclo de calefacción.

El periodo de tiempo puede ser ajustado dependiendo de la severidad del invierno y de la cantidad estimada de hielo que podría formarse.

Es algunas veces difícil calibrar el temporizador de modo que cubra todas las condiciones de congelamiento, manteniendo siempre el ciclo de descongelamiento dentro de unos límites razonables.

Un método más positivo de terminar el ciclo de descongelamiento es el de temperatura. Mientras el hielo se está derritiendo, la temperatura en el serpentín exterior permanecerá bastante constante, alrededor de los 0º C (32º F).

Cuando todo el hielo ha desaparecido, la temperatura comenzará a subir. Este cambio de temperatura puede ser usado para invertir de nuevo el flujo de refrigerante.
Si se usa un dispositivo térmico para iniciar el descongelamiento, el mismo bulbo puede también ser usado indicar el inicio del ciclo de congelamiento.

La presión del refrigerante por el serpentín exterior puede ser también usada para terminar el ciclo de descongelamiento.

Lo mismo que la temperatura, la presión del refrigerante también permanecerá muy constante mientras el proceso de descongelamiento se está llevando a cabo.

Cuando todo el hielo ha desaparecido, la presión del refrigerante dentro del serpentín comenzará a subir y este cambio puede ser usado para indicarle a la válvula de cuatro vías que es tiempo de cambiar de nuevo flujo.

El diferencial de presión del aire como medio para terminar el ciclo de descongelamiento es, por supuesto, usado en combinación con el control de presión de aire utilizado para iniciar el ciclo.

Cuando la obstrucción es removida, el control indicará a la válvula reversible que puede retornar a la fase de calefacción.