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ISSN 0254-0770 / e-ISSN 2477-9377/ Depósito legal pp 197802ZU38
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
VOLUMEN 45 ENERO - ABRIL 2022 NÚMERO 1
REVISTREVISTA
A TÉCNICA
• ACTUALIDAD IBEROAMERICANA
• PERIODICA
• BIBLAT
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022, 58-68
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
Evaluación Energética y Económica de Calefacción de Hogares
por Bomba de Calor en Bariloche, Montevideo y Santiago
Luis E. Juanicó1* , I. Bove2
1Instituto Andino Patagónico de Tecnologías Biológicas y Geoambientales, Argentina.
2Laboratorio de Energía Solar, Facultad de Ingeniería, Universidad de la República, Uruguay.
*Autor de Correspondencia: juanico@comahue-conicet.gob.ar
https://doi.org/10.22209/rt.v45n1a06
Recepción: 17 de julio 2020 | Aceptación: 01 de noviembre de 2021 | Publicación: 29 de diciembre de 2021
Resumen
El cambio climático obliga a mejorar la eficiencia del consumo de energía. En este trabajo se desarrolla una
metodología de evaluación energética y económica de las ventajas de sustituir sistemas de calefacción tradicionales
de gas natural, GLP, o electricidad, por una moderna bomba de calor (inverter). Al ser su eficiencia función de la
diferencia de temperaturas entre el ambiente exterior y el interior, la eficiencia varía según la ubicación de la ciudad.
De esta manera, se estudia su rendimiento en Bariloche, Santiago de Chile y Montevideo (temperatura media anual
de 8,3; 14,6 y 16,3 °C, respectivamente), empleando los siguientes sistemas: 1) aire-aire, instalando varios equipos
Split; y 2) aire-agua, instalando una bomba de calor que brinde calefacción por radiadores de agua. Esta metodología
permite dimensionar estos sistemas y calcular el ahorro anual, ejemplificándose para una vivienda social de 50 m2.
En todos los casos estudiados se alcanzaron reducciones de los consumos y ahorros de moderados a notables (y
períodos de repago de la inversión menores a dos años), excepto contra el gas natural en Bariloche y Montevideo. Se
discute también cómo su inversión moderada puede constituir una primera solución asequible, frente a la costosa
rehabilitación térmica, a fin de obtener viviendas más sustentables.
Palabras clave: calefacción por bomba de calor; bomba de calor Split aire/aire; bomba de calor aire/agua;
calefactores de gas hogareños de tiro balanceado; calderas de gas.
Energy and Economic Assessment of Household Space Heating
by Heat Pumps in Bariloche, Montevideo and Santiago
Abstract
Climate change forces to improve the efficiency of energy consumption. This work develops a methodology for
energy and economic assessment related to replacing a standard household heating system fueled by natural gas,
LPG, or conventional electric heaters, with a modern heat pump (inverter). As its efficiency is related to the
temperature difference between the outdoor and indoor environments, the efficiency varies depending on the location
of the city. Thus, the performance is studied in Bariloche, Santiago de Chile, and Montevideo (Average annual
temperature of 8.3, 14.6 and 16.3 °C, respectively), using the following systems: 1) air-air, installing several Split
devices; and 2) air-water, installing a heat pump that provides heating by water radiators. This methodology allows
sizing these systems and calculating annual savings, exemplified for a 50 m2 social housing. In all the cases studied,
moderate to notable reductions in consumption and savings were achieved (and investment payback periods of less
than two years), except for natural gas in Bariloche and Montevideo. It is also discussed how their moderated
investment can be an affordable first solution, as opposed to the expensive thermal rehabilitation, for obtaining more
sustainable housing.
Key words: household heat pump heaters; air-to-air heat pump; air-source water heat pump; household flue-draft gas
heaters; household gas boilers.
Juanicó y Bove - Vanzulli. 59
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
Avaliação Energética e Econômica do Aquecimento
Doméstico por Bomba de Calor em Bariloche, Montevidéu e
Santiago
A mudança climática nos obriga a melhorar a eficiência do consumo de energia. Neste trabalho é desenvolvida uma
metodologia de avaliação energética e económica das vantagens da substituição dos sistemas tradicionais de
aquecimento a gás natural, GPL ou electricidade, por uma moderna bomba de calor (inverter). Como sua eficiencia é
função da diferença de temperaturas entre os ambientes externos e internos, uma eficiência varía de acordo com uma
localização da cidade. Desta forma, seu desempenho é estudado em Bariloche, Santiago do Chile e Montevidéu
(temperatura média anual de 8,3, 14,6 e 16,3 ° C, respectivamente), utilizando os seguintes sistemas: 1) ar-ar,
instalando várias equipes Split; e 2) ar-água, instalação de bomba de calor que fornece aquecimento por radiadores
de água. Essa metodologia permite dimensionar esses sistemas e calcular una economía anual, exemplificada para
um quarto social de 50 m2. Em todos os casos estudados, as reduções e economias de consumo foram de moderadas
a notáveis (e prazos de reembolso de investimentos inferiores a dois anos), exceto para o gás natural em Bariloche e
Montevidéu. Também é discutido como seu investimento moderado pode constituir uma primeira solução acessível,
em comparação com uma reabilitação térmica cara, un fim de obter uma habitação mais sustentável.
Palavras-chave: aquecimento por bomba de calor; bomba de calor ar/ar split; bomba de calor ar/água; aquecedores a
gás domésticos con tiragem balanceada; caldeiras a gás.
Introducción
En hogares bajo el clima frío de Bariloche (8,3 °C de temperatura media anual y 3.665 grados-día anuales
de calefacción, tomando 18,3 °C como valor de referencia para el cálculo del déficit de grados-día según Eto (1988),
en adelante “grados-día”, lo cual será definido en la sección siguiente), el mayor consumo de energía se debe a
calefacción (80 %), como han señalado otros autores (González et al., 2007; Sulaiman et al., 2020). Del 20 %
restante el mayor consumo se debe a agua caliente sanitaria, en donde recientemente se han propuesto mejoras de
eficiencia empleando sistemas convencionales (Juanicó y Bove, 2020) o bombas de calor (Juanicó y Bove, 2021).
Una vivienda típica de construcción tradicional y calidad media (paredes de mampostería sin aislación térmica,
vidriados simples, techado metálico con aislación de 5 cm) de 50 m2, consume anualmente 4.000 m3 de gas natural
para brindar calefacción empleando calefactores de tiro balanceado de baja eficiencia (62 %), utilizados en el 85 %
de los hogares (Juanicó y González, 2008). Entonces, considerando el calor de combustión superior del gas natural
(10,81 kWh/m3) y la eficiencia de estos equipos, este consumo de gas equivale a 26.800 kWht (energía térmica)
efectivamente entregada a la vivienda (consumo específico 536 kWht/m2). Dicho consumo específico es muy
elevado si se compara con hogares de países desarrollados, siendo por ejemplo ocho veces superior a la media en
viviendas de Estocolmo (68 kWht/m2), de mayor rigurosidad climática (7,0 °C y 4.097 grados-día), pero también
superior calidad térmica de su envolvente edilicia (Walls, 2006). Esta baja calidad térmica de la envolvente edilicia
tradicional Argentina ha podido ser históricamente sostenida debido al bajo precio del gas natural, fuertemente
subvencionado en la Patagonia (0,05 US$/m3, 1/12/19) (González, 2009; González, 2013), y subvencionado en el
resto del país (tarifa 40 % mayor).
Si se considera ahora esta misma vivienda emplazada en locaciones de climas templados de la región, como
Santiago de Chile (14,6 °C y 1.529 grados-día) o Montevideo (16,3 °C y 1.127 grados-día), se generarán menores
demandas de calefacción proporcionalmente a los grados-días requeridos en cada caso, pero que aún son importantes
(González et al., 2007; Gil y Prieto, 2013; González, 2014). En ambos países el precio del gas natural es muy
superior al argentino (Chile 1,07 US$/m3 y Uruguay 1,02 US$/m3); sin embargo, se observa aquí un consumo
creciente del gas a expensas de la leña y el fuel oil, debido a su menor impacto ambiental.
En todos estos países se observa una gran expansión de los colectores solares domiciliarios para provisión
de agua caliente sanitaria (ACS), con inversiones media de dos mil dólares. La necesidad de contar con tejados de
buen asoleamiento y su pobre integración arquitectónica, conspiran contra su universalización. Pero quizás sus
mayores barreras sean la gran variabilidad y limitación horaria del recurso solar, para lo cual recientemente ha sido
propuesto utilizar múltiples colectores con un sistema de acumulación térmica (Bauer et al., 2010; Sibbitt et al.,
2012; Colclough y Griffiths, 2016; Juanicó y González, 2018; Juanicó, 2020). Sin embargo, el sistema requerido para
Evaluación Energética y Económica de Calefacción de Hogares por Bomba de Calor. 60
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
la demanda de calefacción de esta casa pequeña en Bariloche cuesta doce mil dólares, no siendo competitivo por
amplio margen.
Por todo lo anterior, podría parecer utópica la existencia de una tecnología madura que solucione todas estas
barreras, brindando calefacción en cualquier locación y horario con costos asequibles y sin intervenir los tejados. Sin
embargo, la bomba de calor para calentamiento de agua o aire (BC) resuelve todos estos requerimientos, siendo un
electrodoméstico que aprovecha el calor del ambiente (energía renovable, indirectamente de origen solar) (Xiao et
al., 2020). Si bien los equipos Split (aire/aire) se han popularizado mundialmente, las BC para calentamiento de agua
(para ACS y calefacción) han sido generalizadas sólo en países desarrollados en la última década, a pesar de que el
clima frío de estos países perjudica notablemente su desempeño (Stene, 2005; Vieira et al., 2014). En efecto, la
eficiencia de toda BC es inversamente proporcional al salto térmico entre el exterior (fuente de calor) y el fluido a
calentar. En climas templados como los de Santiago (14,6 °C) un moderno Split (calentando aire interior a 21 °C)
alcanza eficiencias del 504 %, contra 90 % en climas muy fríos (–13 °C). Similarmente, una BC aire/agua calentando
un sistema de mayor temperatura (radiadores de agua caliente, 60 °C) obtendrá menores eficiencias, pero aún muy
superiores en el clima templado (262 y 133 %, respectivamente, según los cálculos que aquí se presentarán).
En este trabajo se desarrolla una metodología para calcular la potencia a instalar y el consumo energético en
calefacción de viviendas, mediante el uso de bombas de calor en función de los valores medios mensuales del déficit
de grados día (temperatura de referencia 18,3 °C; Eto, 1988) de la locación estudiada, y del salto de temperaturas
entre el ambiente y el fluido calefactor. Dicho cálculo se utiliza para analizar la competitividad económica de
sustituir: 1) una caldera (a gas natural, GN, o gas licuado de petróleo, GLP) por una BC (aire/agua), manteniendo el
sistema de radiadores de agua caliente; 2) múltiples calefactores de tiro balanceado (GN o GLP) o calentadores
eléctricos convencionales, por múltiples BC Split (aire/aire). Se ejemplifican estas metodologías estudiando una
misma vivienda social de 50 m2, emplazada en Bariloche (Argentina), Santiago (Chile) y Montevideo (Uruguay).
También se analiza cómo extrapolar estos resultados para viviendas de diferentes tamaños, locaciones y temperaturas
de confort. Materiales y Métodos
Condiciones climáticas y demanda en calefacción
La Tabla 1 ilustra las temperaturas medias mensuales y anuales para Bariloche (8,3 °C), Santiago (14,6 °C)
y Montevideo (16,3 °C) (Climate-data, 2019). Si bien la temperatura media de Bariloche corresponde a clima frío
como en los países europeos, su invierno es más benigno; por ejemplo, Varsovia tiene 7,7 °C de media anual, pero –
3,5 °C de media en enero contra 2,5 °C (julio) en Bariloche. Esta asimetría redujo la demanda de calefacción
invernal y aumentó la eficiencia de la BC en Bariloche; ambos efectos se magnificaron en climas templados
(Santiago y Montevideo).
Las demandas de calefacción mensuales se pudieron estimar a partir de sus grados-día, los cuales fueron
calculados multiplicando el número de días por el salto entre su temperatura media mensual y el valor de temperatura
exterior de equilibrio (según Eto (1988) es de 18,3 °C). Como ha sido estudiado por diversos autores (Watson, 1997;
Woods y Fuller, 2014; entre otros), a esta temperatura se equilibran las fuentes de calor internas del hogar (generadas
por ocupantes, electrodomésticos y luminarias) con pérdidas de calor a través de su envuelta edilicia, manteniendo
una temperatura interna de confort (21 °C), y por ende, sin demanda de calefacción. Otros autores han observado un
mismo valor entre los cocientes (kWht/m2)/grados-día de Bariloche, La Plata, Valdivia (Chile) y Río Gallegos (Díaz
y Czajkowski, 2006; González, 2016). Este parámetro ha sido validado como un buen indicador para extrapolar la
demanda de calefacción en diferentes localidades. Así, partiendo de la demanda anual de una vivienda social de 50
m2 en Bariloche (3.665 grados-día, 26.800 kWht y 536 kWht/m2) se pudo inferir (a primer orden) la demanda anual
que requeriría esta vivienda de estar emplazada en Santiago (1.529 grados-día) y Montevideo (1.127 grados-día),
obteniendo 11.214 kWht (224 kWht/m2) y 8.261 kWht (165 kWht/m2), respectivamente. Análogamente, se
calcularon en la Tabla 1 sus fracciones mensuales.
Calidad térmica de la vivienda y demanda en calefacción
La calidad térmica de la vivienda estudiada como ejemplo, corresponde a la construcción característica de
una vivienda social en Bariloche (paredes de mampostería sin aislación, ventanas de vidrio simple y techo con poca
aislación). Sin embargo, la metodología desarrollada en este trabajo no depende del tipo de construcción ni de su
Juanicó y Bove - Vanzulli. 61
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
tamaño sino en última instancia de la demanda térmica considerada en cada ciudad. Dicha metodología puede ser
extrapolada a toda otra edificación de diferente tamaño y/o calidad térmica, según la demanda que surja del análisis
de confort térmico a realizar en cada caso. Este último parámetro es entonces un dato de entrada de la metodología.
Tabla 1. Demandas mensuales de calefacción para una casa de 50 m2 en Bariloche, Santiago y Montevideo.
Bariloche
Santiago
Montevideo
Mes
Tm
(°C)
grados
kWht
Tm
(°C)
grados
kWht
Tm
(°C)
grados
kWht
-día
-día
-día
Enero
14,3
124
909
20,8
0
0
22,6
0
0
Febrero
14,1
118
862
19,8
0
0
22,2
0
0
Marzo
11,8
202
1.477
17,8
16
114
20,5
0
0
Abril
8,3
300
2.200
14,8
105
770
16,9
42
308
Mayo
5,7
391
2.864
11,6
208
1.523
13,8
140
1.023
Junio
3,2
453
3.321
8,8
285
2.090
10,9
222
1.628
Julio
2,5
490
3.591
8,6
301
2.205
10,6
239
1.751
Agosto
3,1
471
3.455
9,7
267
1.955
11,1
223
1.637
Setiembre
4,9
402
2.947
11,8
195
1.430
12,9
162
1.188
Octubre
7,7
329
2.409
14,4
121
886
15,2
96
705
Noviembre
10,8
225
1.650
17,2
33
242
18,2
3
22
Diciembre
13,4
152
1.114
19,6
0
0
20,9
0
0
Anual
8,3
3.665
26.800
14,6
1.529
11.214
16,3
1.127
8.261
Datos de Climate-data.org (2019).
Eficiencia térmica de la bomba de calor
Las BC presentan un COP (Coefficient of Performance) igual al calor entregado a la vivienda dividido por
la energía eléctrica consumida, el cual es equivalente a su eficiencia térmica, que es considerada como la energía útil
entregada por unidad de energía invertida. Staffel et al. (2012) han ajustado el COP para equipos agua-aire (a partir
de datos experimentales) como una función cuadrática del salto de temperaturas, ΔT, definido entre la temperatura a
la que calienta el agua (fluido del sistema calefactor) y la del ambiente exterior, según:
COP = 6,81 – 0,121 * ΔT + 0,00063 * ΔT2 (1)
Procediendo análogamente para equipos aire-aire (Split) inverter, en este trabajo se ha ajustado el COP de
datos experimentales (Winkler, 2011), pero considerando el salto de temperaturas entre el ambiente exterior y el
interior: COP = 7,17 – 0,322 * ΔT + 0,00515 * ΔT2 (2)
Para calcular el consumo eléctrico de la BC, se divide la energía térmica demandada mes a mes (Tabla 1)
entre el correspondiente COP mensual, calculado con su temperatura ambiente media y según la ecuación (1 o 2) que
corresponda (BC aire/agua o aire/aire).
Resultados y Discusión
Consumo energético de la bomba de calor
El consumo eléctrico de una bomba de calor (expresado en kWhe) será menor cuanto menor sea el ΔT
necesario para transferir el calor desde el ambiente exterior hacia el ambiente interior a calefaccionar. Por ello, la
bomba de calor obtendrá un mejor desempeño si se aplica sobre un Split inverter (21 °C) en lugar de en un sistema
Evaluación Energética y Económica de Calefacción de Hogares por Bomba de Calor. 62
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de radiadores de agua caliente (60 °C); asimismo, será mejor cuanto mayor sea la temperatura ambiente media (Tm).
A partir de estas temperaturas medias mensuales se pudieron calcular los COP medios mensuales (Figura 1), y con
estos y el dato de la demanda de calefacción (Tabla 1), se obtuvieron los consumos mensuales de energía eléctrica de
la BC (Tabla 2).
Figura 1. Variación estacional del COP (coeficiente de desempeño) en cada ciudad para BC (bomba de calor) tipo
Split (S) o caldera (C). Bche (Bariloche), Stgo (Santiago), Mvde (Montevideo), S (Split) y C (caldera).
Tabla 2. Consumo BC para Split (21 °C) o caldera (60 °C) en Bariloche, Santiago y Montevideo.
Mes
Bariloche
Santiago
Montevideo
Tm
Split
Caldera
Tm
Split
Caldera
Tm
Split
Caldera
°C
COP
kWhe
COP
kWhe
°C
COP
kWhe
COP
kWhe
°C
COP
kWhe
COP
kWhe
Enero
14,3
5,24
173
2,60
350
20,8
--
0
--
0
22,6
--
0
--
0
Febrero
14,1
5,19
166
2,58
334
19,8
--
0
--
0
22,2
--
0
--
0
Marzo
11,8
4,64
318
2,44
605
17,8
6,19
18
2,83
40
20,5
--
0
--
0
Abril
8,3
3,91
562
2,24
983
14,8
5,37
143
2,63
293
16,9
5,94
52
2,77
111
Mayo
5,7
3,45
830
2,10
1.366
11,6
4,60
331
2,43
627
13,8
5,12
200
2,56
399
Junio
3,2
3,07
1.082
1,97
1.686
8,8
4,01
521
2,27
922
10,9
4,44
366
2,39
682
Julio
2,5
2,98
1.207
1,94
1.856
8,6
3,97
555
2,26
978
10,6
4,38
400
2,37
739
Agosto
3,1
3,06
1.130
1,96
1.758
9,7
4,19
467
2,32
843
11,1
4,49
365
2,40
682
Setiembre
4,9
3,32
888
2,06
1.434
11,8
4,64
308
2,44
586
12,9
4,90
242
2,51
474
Octubre
7,7
3,80
634
2,20
1.093
14,4
5,27
168
2,60
341
15,2
5,48
129
2,65
266
Noviembre
10,8
4,42
373
2,38
693
17,2
6,02
40
2,79
87
18,2
6,31
3
2,85
8
Diciembre
13,4
5,02
222
2,54
439
19,6
--
0
--
0
20,9
--
0
--
0
Anual
8,3
3,53
7.586
2,13
12.595
14,6
4,39
2.553
2,38
4.716
16,3
4,70
1.757
2,46
3.360
BC: bomba de calor, Tm: temperatura media, COP: coeficiente de desempeño, kWhe: kilowatt hora eléctrico, --: no existe valor
debido a que no hay consumo.
Dimensionamiento de la bomba de calor
Esta sección desarrolla la metodología para dimensionar la bomba de calor, calculando la potencia nominal
eléctrica (kWe) del equipo adecuado para satisfacer la demanda de calefacción. La ASHRAE (Sociedad Americana
de Ingenieros en Calefacción y Refrigeración) recomienda dimensionar un equipo de calefacción de modo que
satisfaga la demanda del 99 % de las horas del año, es decir que sólo durante 88 horas al año el equipo entregará una
demanda ligeramente inferior a la requerida (Judkoff y Neymark, 1999). A modo de ejemplo, para Bariloche la
ASHRAE calcula estadísticamente esta temperatura de corte en –5,3 °C (ASHRAE, 2021) durante julio. Para esta
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
BcheS StgoS MvdeS BcheC StgoC MdeoC
Mes
COP
Juanicó y Bove - Vanzulli. 63
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
condición la demanda de calefacción será 42 % superior a la demanda media de ese mes, según los cocientes entre
sus saltos de temperatura respecto a la temperatura interior de confort:
Aumento demanda99% = (Tconfort – Tmin99%) / (Tconfort – Tm) (3)
Aumento demanda99% = [21 °C – (-5,3 °C)] / [21 °C – 2,5 °C] = 1,42
Para dimensionar un equipo convencional (que entrega siempre la misma potencia térmica máxima), alcanzaría con
incrementar 42 % la potencia térmica media demandada:
Potencia térmica99% = (Potencia térmica media)× (Aumento demanda99%) (4)
Sin embargo, nótese que una BC no es capaz de entregar siempre la misma potencia térmica máxima sino
que esta depende de la temperatura exterior, siendo por el contrario la potencia eléctrica que consume (nominal,
consumida mayormente en el compresor) su verdadero parámetro fijo. No obstante, es también cierto que los
fabricantes suelen declaran un valor de COP y de potencia térmica entregada, lo cual puede generar confusión, pero
corresponde siempre a una cierta temperatura definida por la norma técnica considerada. Por ejemplo, la EN 14511
considera una temperatura exterior de –7 °C (Zirngibl, 2020). Otras veces el fabricante no declara el COP sino ambas
potencias (eléctrica y térmica) y entonces dividiendo ambas se puede obtener el COP; conociendo esta temperatura
es posible extrapolar el COP para otras temperaturas.
De acuerdo con lo anterior y siguiendo con el caso en estudio, la potencia eléctrica nominal de la BC Split
que satisface la potencia térmica máxima demandada se calcula (Ecuación 5) dividiendo esta por el COP a
temperatura crítica (2,26 a –5,3 °C; según la Ecuación 2). Nótese que el detrimento en el rendimiento es apreciable
(24 % respecto del COP medio de 2,98), y obliga a sobredimensionar proporcionalmente la bomba de calor, según:
(5)
Esta potencia nominal de 3,04 kWe se puede solventar instalando tres Split de 1.000 We c/u: una potencia
ligeramente inferior a la del Split comercial de 12.000 Btu/h (1,1 kWe) que deben elegirse. Al ser estos equipos del
tipo inverter, un aumento moderado de su potencia nominal no origina un detrimento en el rendimiento, a diferencia
de los antiguos (on/off) en los cuales la penalización por funcionamiento intermitente (on/off) puede llegar a ser
importante (Piechurski et al., 2017).
El dimensionamiento de una BC aire/agua para un sistema de calefacción central con radiadores sigue el
mismo procedimiento, pero utilizando ahora la Ecuación 1 para calcular el COP99% considerando el salto de
temperaturas entre el exterior (–5,3 °C) y los radiadores (60 °C), obteniéndose 1,60 (18 % inferior a la media).
Dividendo la potencia térmica máxima demandada por este COP (Ecuación 5), se calcula la nueva potencia nominal
(4,30 kWe).
Repitiendo estas metodologías para Santiago y Montevideo (donde ASHRAE estima temperaturas de corte
99 % de 0,1 y 4,3 °C, respectivamente), se completa la Tabla 3 de resultados. En ambas ciudades se escogen los
equipos comerciales más pequeños del mercado (9.000 Btu/h o 0,85 kWe), ya que las potencias calculadas para los
Split resultaron aún menores.
Tabla 3. Potencia nominal de BC (Split o caldera) requerida en cada ciudad.
Potencia
Bariloche
Santiago
Montevideo
Split
Caldera
Split
Caldera
Split
Caldera
Aumento demanda
42 %
42 %
69 %
69 %
61 %
61 %
COP crítico
2,26
1,60
2,69
1,82
3,23
2,02
Potencia nominal (kWe)
3,04
4,30
1,78
2,74
1,15
1,87
Potencia Split (x3) (kWe)
1,01
--
0,59
--
0,38
--
BC: bomba de calor, COP: coeficiente de desempeño, --: no corresponde.
Evaluación Energética y Económica de Calefacción de Hogares por Bomba de Calor. 64
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Evaluación económica
En este aparte se analiza la competitividad económica de la sustitución del sistema convencional de
calefacción por bomba de calor mediante el cálculo del período de repago de la inversión, en desmedro de otros
indicadores más detallados (como el valor presente neto) que implican considerar otros parámetros financieros
(como la tasa de descuento), los cuales presentan valores de gran dispersión y variabilidad en los países de la región.
Esta sustitución se propone según dos escenarios diferentes que buscan minimizan los costos y tiempos de
instalación, según el sistema convencional presente en la vivienda: 1) de múltiples equipos (calefactores de tiro
balanceado o eléctricos convencionales), mediante sustitución por múltiples BC tipo Split; 2) de sistema centralizado
(caldera de GN, GLP o eléctrica) y radiadores de agua caliente, con sustitución solo de la caldera.
Para este cálculo y en caso de utilizar BC aire/aire, se instalarán tres Split inverter de mediana potencia
(12.000 Btu/h térmicos y 1,1 kWe) en Bariloche o muy pequeña potencia (9.000 Btu/h y 0,85 kWe) en Santiago y
Montevideo, o, una única BC aire/agua de mediana a pequeña potencia (Tabla 3). El costo de dicha inversión
(incluyendo la instalación), para los tres Split medianos y pequeños, se estiman en 1.500 y 1.200 dólares americanos,
respectivamente. Por su parte, el costo de las calderas BC se estima en 2.200, 1.500 y 1.200 dólares americanos para
Bariloche, Santiago y Montevideo, respectivamente. La amortización de la inversión requerida en cada caso, se
relaciona con el ahorro energético obtenido, calculado a partir del costo de los combustibles empleados o sustituidos
(Tabla 4), según sus tarifas hogareñas (costos variables incluyendo impuestos). De aquí y considerando la
equivalencia energética de cada combustible (calor de combustión del GN, 10,81 kWh/m3, y 13,77 kWh/kg del
GLP), se construye la Tabla 5 de costos específicos (US$/MWht) de calefacción en cada caso.
Tabla 4. Costo específico de los diferentes combustibles (con impuestos) en moneda local (entre paréntesis) según
cada empresa distribuidora (entre paréntesis), y valor del dólar americano (interbancario) al 16/01/2020.
Energético
Bariloche ($A)
Santiago ($CH)
Montevideo ($U)
GN (m3)
(distribuidor)
3,27
(Camuzzi)
829,0
(Metrogas)
37,90
(MontevideoGas)
GLP (kg)
85,00
(Codistel)
1.090,0
(Gasco)
46,92
(Ancap)
Electricidad
(kWhe)
9,61
(CEB)
117,0
(Enel)
7,89
(UTE)
1 US$
60,00
772,6
37,29
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo.
Tabla 5. Tarifas (impuestos incluidos) de cada fuente de energía (en US$/MWht) en cada ciudad.
US$/MWht
Bariloche
Santiago
Montevideo
GN
5,04
99,27
94,03
GLP
102,86
102,44
91,37
Electricidad
160,17
151,13
211,58
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo.
En la Tabla 6 se incluyen los costos anuales de calefacción considerando las demandas de energía
requeridas por las bombas de calor (Tabla 2) o por los sistemas convencionales (Tabla 1), y los costos específicos de
la energía (Tabla 5) en cada caso. Para equipos de gas (GN o GLP) se consideraron dos opciones de diferente
eficiencia: 1) caldera central (90 %); 2) calefactores de tiro balanceado (62 %), y se calcula la energía total
demandada dividiendo la demanda neta de calefacción (Tabla 1) por la eficiencia del sistema. Comparando luego el
costo de la BC con cada sistema convencional, se calcula el ahorro instalando una BC (Tabla 7). Se observa que
debido a la fuerte subvención que presenta el gas natural en Bariloche (20 veces más barato que en las otras
ciudades), la BC no es competitiva frente a este combustible a pesar de los importantes ahorros energéticos que
logra. Por otra parte, la BC sí es competitiva en Santiago y Montevideo frente al gas natural. Además, siendo el
precio del GLP y de la electricidad similar en todas las ciudades, la BC se presenta siempre como una alternativa
muy ventajosa frente a todos los sistemas convencionales que emplean estos combustibles. Cabe mencionar que la
mayor demanda en Bariloche permite lograr mayores (doble) ahorros.
Juanicó y Bove - Vanzulli. 65
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 45, Nº 1, Enero - Abril, 2022
Tabla 6. Costos anuales (U$S) de combustible en diferentes sistemas de calefacción.
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo, Electricidad conv.: estufa
eléctrica convencional.
Tabla 7. Ahorros anuales (US$) con BC sustituyendo sistemas convencionales.
Ahorro (US$)
Bariloche
Santiago
Montevideo
GN (caldera)
–1.867
524
152
GLP (caldera)
1.046
564
128
GN (calefactor)
–997
1.387
972
GLP (calefactor)
3.231
1.444
936
Electricidad conv.
3.078
1.286
1.467
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo, Electricidad conv.: estufa
eléctrica convencional.
Por último, en la Tabla 8 se presentan los períodos de repago de las inversiones necesarias para la
sustitución por BC en cada caso, en función de los ahorros anuales presentados en la Tabla 7. La conjugación de
bajos costes de sustitución y ahorros importantes vuelve al Split la mejor opción (salvo en Bariloche con calefactores
a GN). Por su parte, la sustitución de una caldera convencional por una caldera BC es siempre recomendable en
Santiago, en Bariloche sólo para GLP, y poco recomendable en Montevideo. Aquí, la conjunción de mayores tarifas
eléctricas (combustible BC) y menor demanda de calefacción, arroja largos períodos de repago.
Tabla 8. Años de recupación de inversión en BC para cada ciudad.
Años
Bariloche
Santiago
Montevideo
GN (caldera)
-
2,86
7,89
GLP (caldera)
2,10
2,66
9,38
GN (calefactor)
--
0,87
1,2
GLP (calefactor)
0,46
0,83
1,3
Electricidad conv.
0,49
0,93
0,82
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo, Electricidad conv: estufa eléctrica
convencional, --: No corresponde por haber ahorro negativo.
Rehabilitación térmica de la vivienda
Se ha señalado que una vivienda media de la región posee una mala calidad térmica de su envuelta edilicia
comparada con la de países desarrollados, lo cual genera importantes demandas específicas (por m2) de calefacción.
Se puede comparar la propuesta de sustitución del sistema de calefacción por una BC, respecto a una conformación
tradicional de arquitectura bioclimática, como es la rehabilitación térmica de su envolvente edilicia. En este caso, no
se considerará la sustitución del sistema de calefacción convencional, ya que esta propuesta implicaría una inversión
aún mayor, y el objetivo es analizar exclusivamente los efectos termo-económicos de una rehabilitación.
Siempre que se mejora la envolvente edilicia se reducen sus pérdidas de calor y, por ende, esta consume
menor energía para proveer un dado nivel de confort. Sin embargo, una rehabilitación que logre disminuir a la mitad
este consumo implica una intervención importante (sustituir vidriados simples por DVH (doble vidrio hermético),
Costo (US$)
Bariloche
Santiago
Montevideo
GN (caldera)
150
1.237
863
GLP (caldera)
3.063
1.277
839
GN (calefactor)
218
1.796
1.253
GLP (calefactor)
4.446
1.853
1.217
Electricidad conv.
4.293
1.695
1.748
BC (21°C) Split
1.215
409
281
BC (60 °C)
2.017
713
711
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instalar aislación en paredes y techado de 10 cm de EPS, y reducir significativamente las filtraciones de aire), con
una inversión total de 10.000 dólares americanos, estimada para una vivienda 50 m2 con cuatro ventanas de 1,5 m2
c/u (Juanicó y González, 2018), la cual resulta mayor para viviendas de mayor superficie. Tomando esta inversión
(US$ 10.000) y calculando que los consumos anuales de la Tabla 6 se redujeron a la mitad por efecto de la propia
rehabilitación, en la Tabla 9 se presentan los períodos de repago y ahorros anuales obtenidos mediante la
rehabilitación térmica en cada ciudad y según cada combustible y sistema de calefacción empleado.
Como se puede observar aquí, en Bariloche no es económicamente redituable la rehabilitación térmica
cuando se calefacciona con gas natural (debido a la fuerte subvención del GN en dicha locación), pero sí utilizando
GLP o sistemas eléctricos convencionales. No obstante, en estos últimos casos la sustitución por una BC lograría
mayor competitividad traducido en menores períodos de repago, como se observa al comparar la Tabla 8 con la
Tabla 9. En efecto, para realizar esta comparación se puede considerar que la rehabilitación térmica produciría el
mismo efecto que sustituir la caldera de gas o eléctrica (90 y 100 % de eficiencia, respectivamente) por una del doble
de eficiencia ya que el consumo cae a la mitad, mientras que la sustitución por una caldera BC requeriría una
inversión sensiblemente menor (U$S 2.200 vs. US$ 10.000) y eficiencia ligeramente mayor (213 %). Estos efectos
se magnifican sustituyendo calefactores TB (62 % eficiencia) por BC Split, de muy superior eficiencia y menor
inversión. Estos efectos se combinan con las tarifas energéticas obteniéndose los diferentes períodos de repagos de
cada caso.
Tabla 9. Ahorros anuales (US$) y período de repago (años) de rehabilitación térmica para cada ciudad.
Ahorro (US$ | años)
Bariloche
Santiago
Montevideo
GN (caldera)
75 | 133
619 | 16
432 | 23
GLP (caldera)
1.532 | 6,5
638 | 16
419 | 24
GN (calefactor TB)
109 | 92
898 | 11
626 | 16
GLP (calefactor TB)
2.223 | 4,5
927 | 11
609 | 16
Electricidad conv.
2.146 | 4,7
848 | 12
874 | 11
GN: gas natural, GLP: gas licuado de petróleo, TB: tiro balanceado, Electricidad
conv.: estufa eléctrica convencional.
Considerando la ciudad de Santiago se observa en la Tabla 9 que la rehabilitación térmica no es una
alternativa accesible porque en todos los casos los períodos de recuperación de la inversión son extremadamente
largos (mayores a 10 años). Al comparar la rehabilitación frente a la sustitución por una BC se observa que en el
caso de calefacción por caldera central la rehabilitación logra mayores ahorros que la BC, mientras que empleando
calefactores o estufas eléctricas convencionales se observa el comportamiento opuesto. Estos resultados son la
sumatoria de efectos combinados: las diferentes tarifas de las fuentes de energía, de las eficiencias de los sistemas de
calefacción empleados y de la demanda energética. Sin embargo, para entender la competitividad de las diferentes
opciones tecnológicas, más importante que el ahorro neto es el período de recuperación de la inversión. En este
sentido, al comparar la Tabla 8 con la Tabla 9 se observa que la BC es la opción más redituable en todos los casos
analizados por amplio margen. La misma tendencia se observa para Montevideo pero con diferencias magnificadas,
ya que el clima más atemperado reduce la demanda de calefacción, y la mayor tarifa eléctrica encarece la operación
de la BC, haciendo que la opción de la BC obtenga menores ahorros, pero mayor competitividad.
Este análisis no concluye que la rehabilitación térmica no se realice, ya que sus beneficios exceden los
económicos; entre ellos mayor aislación acústica y mayor confort térmico general por menores gradientes térmicos,
evitándose además la condensación de humedad en paredes externas.
Conclusiones
Se desarrolló una metodología para calcular el consumo energético y la potencia requerida para satisfacer
una demanda de calefacción dada, mediante el empleo de una bomba de calor en un patrón climático determinado,
usando como ejemplo una misma vivienda social en Bariloche, Santiago y Montevideo. Con el uso de un sistema de
baja temperatura (Split, o también losa radiante) en climas templados, se obtuvieron eficiencias muy elevadas, que
duplican las obtenibles mediante caldera y radiadores de agua caliente, y también las de países desarrollados de
Juanicó y Bove - Vanzulli. 67
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clima frío en los que esta tecnología se ha difundido masivamente. Esta ventaja en el rendimiento termodinámico
podría ser neutralizada en su competitividad económica en climas menos rigurosos (menor demanda de calefacción);
paradójicamente, la menor calidad térmica de las viviendas en el Cono Sur contrabalancea este factor. Las tarifas
energéticas asimétricas en la región juegan también su rol, siendo estas desde muy subsidiadas (gas natural en
Argentina) hasta elevadas (electricidad en Uruguay). El resultado final es que en la región se podría sustituir un
sistema convencional por una bomba de calor con muy cortos períodos de repago, excepto para gas natural en
Bariloche (Argentina).
El análisis de la competitividad de esta propuesta frente a la rehabilitación térmica de la envolvente edilicia,
mostró que esta requiere inversiones muy superiores y menores ahorros energéticos. Es interesante esta comparación
porque la BC se apoya en una energía renovable (del ambiente, indirectamente solar), compartiendo las
características de sustentabilidad de la rehabilitación. Por el contrario, un fuerte subsidio a un combustible fósil como
el gas natural va en detrimento de la sustentabilidad y competitividad económica de ambas (BC y rehabilitación)
opciones analizadas. Por todo lo anterior, se concluye que la tecnología de bomba de calor podría ser aplicada
masivamente para provisión de calefacción en la región, sustituyendo combustibles de alto impacto ambiental, como
leña y fuel oil, sin realizar grandes inversiones ni requerir subsidios, siendo su desconocimiento el mayor escollo a
vencer. Esta conjugación de beneficios y sencilla implementación, sugiere su adopción como política energética en
Latinoamérica.
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Diciembre 2021, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Vol. 45. N°1, Enero - Abril, 2022_________________________
