15 dic. 2010

De la entropía y los procesos irreversibles. La bomba de calor.

Los científicos se han inventado una forma de calcular lo rápido que evolucionan los hechos, y que se puede aplicar a las reacciones químicas o a los fenómenos físicos. Algo parecido a conocer la inclinación de la carretera por la que vamos en bici. Se denomina variación de entropía.

Un proceso será más rápido cuanto más rápido se degrade la energía, o lo que es lo mismo, cuanto más incremente la entropía.

Cambiando el punto de vista, la forma de hacer que un fenómeno se acelere es degradando más energía.

En cambio, para optimizar el uso de la energía, lo que nos interesa es ralentizar los procesos.
(Ver sostenibilidad I, de los ritmos del equilibrio dinámico)

Ejemplos típicos: los coches consumen más si van más rápido; los frenos del coche se calientan más si frenamos a fondo. O podemos ir más rápido en bici por una pendiente más pronunciada.

Esto mismo se puede aplicar a fenómenos algo más complejos, por ejemplo en el estudio de la calefacción de una vivienda.

En casa nos gusta estar calentitos en invierno, para lo cual buscamos un equilibrio térmico dinámico: necesitamos introducir tanto calor en la casa como el que se escapa a través de las ventanas, las paredes, etc.

El calor tiende a ir de los sitios calientes a los fríos, de manera que siempre que el exterior de la casa esté a menor temperatura que el interior, estaremos perdiendo calor. Y cuanto más rápido se pierda, mayor incremento de entropía.

La forma más efectiva de optimizar la energía de calefacción de la casa es ralentizar las pérdidas de calor, incrementado el aislamiento de la casa. De esta forma no solo mejoramos el balance de entropía en la pérdida de calor, sino que además reduciremos el ritmo (la potencia) a la que tiene que funcionar la calefacción.

Hay un buen ejemplo de este incremento de entropía producido por las elevadas pérdidas de calor de las viviendas. Los centros de las grandes ciudades, en invierno, pueden estar 2 ó 3 grados más calientes que su entorno. Puede resultar cómodo, pero supone un cambio en el medio ambiente.

Pero existe otra forma, complementaria a la anterior. Supongamos que no podemos modificar el aislamiento de la casa, de manera que necesitamos, para compensar, introducir suficiente calor para mantener el equilibrio térmico interior.

Las formas más habituales de introducir ese calor en casa consisten en transformar otras formas de energía en calor: la energía química de la leña, o el carbón o el gas natural (quemándolos); o la energía eléctrica (en radiadores eléctricos). Esto supone utilizar energías de gran calidad para transformarlas en energía de baja calidad, por lo que se trata de procesos con un gran incremento de entropía y por lo tanto, poco eficientes.

Voy a explicar esto de la calidad de la energía con un ejemplo poco científico. Imaginad que queréis llenar un contenedor de basura. Para ello, ¿se os ocurriría comprar alimentos, cocinarlos y tirarlos directamente? Es un desperdicio utilizar materias primas útiles para obtener basura. Sería más rentable buscar algo barato, sencillo y abundante para llenar el contenedor.

Algo parecido ocurre con la energía. La energía mecánica, química o eléctrica tiene usos de gran calidad, y recurrir a ellas para calentar es como usar la comida de El Bulli de munición para el tirachinas.

Desde hace años, los humanos conocemos la manera de forzar al calor para moverse de sitios fríos a otros calientes. Esto supone mejorar su calidad (hacerlo un poquito más util), y no sale gratis.

De la misma manera que se puede bombear agua desde el fondo de un pozo hasta nuestra casa, podemos bombear calor desde un lugar frío a uno caliente.

¿Qué ocurre en una nevera? Que el calor se extrae del interior (frío) y se lleva al exterior (normalmente a través de una rejilla trasera, que está calentita). Lógicamente para eso debemos ‘gastar’ energía eléctrica, de la misma forma que una bomba de agua gasta energía eléctrica para subir el agua desde un punto bajo hasta uno más alto.

De la misma forma funciona una máquina de aire acondicionado, extrayendo el calor del interior y llevándolo al exterior, que está más caliente.

Este sistema de bombeo de calor es imprescindible cuando queremos enfriar algo, ya que el frío no se puede generar por sí mismo. Pero es igualmente posible calentar un objeto o un espacio utilizando el mismo sistema.

La eficiencia de este sistema de bomba de calor (sí, se llama así), depende de la temperatura inicial y de la temperatura final; exactamente igual que en una bomba de agua, que consumirá más si tenemos que elevar el agua a más altura.

Supongamos que queremos que nuestra a casa esté a 20ºC, mientras en el exterior está cayendo una helada de –5ºC. Una bomba de calor sería capaz de introducir en casa 1000w de calor gastando únicamente 170w de potencia eléctrica. El cálculo es un poco complejo pero lo pongo, por si a alguien le interesa:

(1/0,5)[COP] x 1 - ((273-5)K / (273+20)K) x 1000w = 170w.

Existen en el mercado sistemas de aires acondicionados ‘con bomba de calor’; el fabricante nos indica que el aparato no sólo permite extraer calor, sino también introducirlo en la casa.

Pero además de estos sistemas de aire acondicionado, que llevan calor del aire interior al exterior (y viceversa), existen máquinas para llevar calor del aire al agua (de los radiadores), o de la tierra al agua (sistemas geotérmicos), agua-agua (desde un río o lago), etc.

En resumen: Es MUCHO más eficiente mover el calor de una temperatura a otra que tirar energía útil simplemente para calentar. En casos habituales podemos llegar incluso a una eficiencia 5 veces mejor.

5 comentarios:

  1. Osea, que poner una bomba de calor en casa hará que ahorre, teniendo en cuenta que mi calefacción es de gasoleo. Hola Quisco! soy Susana

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  2. Hola Susana: efectivamente, una bomba de calor te permitiría ahorrar en consumo energético.

    Pero habría que analizar varios factores:

    -las opciones técnicas de la instalación: una bomba de calor implica una máquina en el exterior de la vivienda, un poco más grande que la de un aire acondicionado.

    -el precio de la instalación (máquina exterior, retirada de la caldera, conexión eléctrica, etc)

    -el rendimiento que podrías conseguir; depende fundamentalmente de si tienes radiadores o suelo radiante. Como la bomba lo que hace es subir de temperatura el calor, no es lo mismo hacerlo de 0 a 25º que de 0 a 60ºC. La eficiencia en el caso de radiadores podría ser aprox. de 2,7 (es decir, 2,7w de calor por cada w de electricidad).
    -la comparativa de precios entre el gasóleo y la electricidad. No sé cómo andan actualmente, pero intentaré enterarme.

    En resumen: ahorrarás energía, pero no necesariamente dinero.

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  3. quisco one question?? ¿cual es la diferencia cuantificable entre un vidrio climalit y un vidrio sencillo? a groso modo....¿cuanto mejora?...no sé... en aislamiento.. cuanto puede repercutir en sensación real de bienestar..... gracias...ya se que no tiene que ver con el tema exacto de hoy... pero es una dudilla del chollo... bicos

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  4. Una caldera modernita de gasóleo permite obtener 6540 kcal por litro, que hoy cuesta 0,871€.
    ( http://petromercado.com/precio-actualizado-combustibles/precio-gasoil-de-calefaccion.html )

    El kw.h de electricidad, que equivale a 860,42 kcal, cuesta a día de hoy 0,12516€.
    ( pág. web de iberdrola, tarifa básica )

    Suponiendo un rendimiento de la bomba de calor con radiadores de 2,7:
    -una Tcal. con gasóleo sale a 133,18 €
    -una Tcal. con b.calor sale a 145,51 €

    En resumen: la bomba de calor no sería ECONÓMICAMENTE rentable funcinando con radiadores.

    Podemos buscar el motivo en que la electricidad que utilizamos en España se produce en gran parte quemando gasóleo y otros combustibles fósiles. Y en que se transporta largas distancias, lo que supone grandes pérdidas.

    Así de raro es el mercado de la energía, en el que gastar menos es más caro.

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  5. Para Oco Diseño (12:24h)

    La elección del tipo de vidrio, hoy en día, implica muchos factores además del aislamiento térmico, entre ellos el aislamiento acústico y el control solar (recalentamiento por la entrada directa de la luz solar).

    Además de existir vidrios dobles y triples, que intercalan cámaras aislantes de aire o de gases nobles, con presión controlada, diferentes calidades de sellado,... pues eso, además se pueden dar tratamientos diferentes a cada uno de los vidrios para impedir la entrada o la salida de determinadas frecuencias de radiación.

    De todas formas, te dejo dos datos:

    -el vidrio por sí mismo aisla muy mal (0,007 m2.ºC/w para un vidrio de 6mm), mientras que con una cámara de aire se puede alcanzar una resistencia térmica 120 veces superior (0,9 m2.ºC/w).

    -En una ventana, además de vidrio hay carpintería. Si se sustituye el vidrio por uno doble, debe instalarse una carpintería con rotura de puente térmico para equilibrar la solución.

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