Cuando hablamos de un sistema energético, una de las principales características que se deben tener en cuenta a la hora de adquirirlo o utilizarlo, es la eficiencia que el sistema posee en su principio de funcionamiento. El término de eficiencia en equipos de uso de energía está relacionado con la cantidad de trabajo útil que el sistema brinda, en contraste con la energía que el mismo consume.
Existe una ley física, que siempre se cumple para cualquier tipo de sistema, conocida como la primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la energía, que profesa explícitamente eso, que en todo sistema la energía global siempre se conserva. En términos prácticos se acostumbra a definir esta ley de manera en que la energía no se puede crear ni destruir, pero sí puede ser transformada. De acuerdo con esto, cualquier sistema que produzca un trabajo o una función, sea mecánico, químico o térmico, debe tener también un consumo de alguna fuente de energía y lo que el equipo hace es transformar la energía de esta fuente, en otro tipo de energía útil para cumplir una función.
Teniendo en cuenta la primera ley de la termodinámica la eficiencia de un equipo se define como esa cantidad de energía útil que el equipo brinda para cumplir con su función, en relación con la cantidad de energía que el equipo se consume haciendo esa transformación. En un equipo mecánico, por ejemplo, como una motobomba, la eficiencia se define como la relación o división algebraica de la energía mecánica del movimiento de la bomba entre la energía eléctrica consumida por el motor que la impulsa. Normalmente en este tipo de sistemas la eficiencia toma un valor entre 0 y 1, y se expresa en porcentaje; un sistema ideal, es decir, sin pérdidas de energía, debería tener una eficiencia de 1 que equivale al 100%, pero debido a pérdidas mecánicas y térmicas en los sistemas este valor del 100% de eficiencia es un límite teórico.
En equipos de uso final de energía que tienen como principio de funcionamiento el ciclo termodinámico de compresión de vapor, como pueden ser neveras, aires acondicionados, bombas de calor, deshumidificadores, entre otros, no es convencional hablar en términos de eficiencia. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es un tipo de sistema térmico cíclico, donde la energía útil ya no es energía mecánica sino energía térmica (en forma de calor), en el cual circula un fluido refrigerante que es capaz de transferir el calor desde una fuente de baja temperatura hasta una fuente de alta temperatura, por medio de un c onsumo de energía eléctrica que mueve un compresor. Como los procesos que ocurren dentro del sistema obtienen energía térmica del medio ambiente, la energía útil (energía de frío o calor), es mayor a la energía eléctrica que el sistema consume, por lo cual ya no se habla de eficiencia sino de COP, o coeficiente de rendimiento, por sus siglas en inglés.
El COP es una medida de alta importancia en sistemas de calefacción o de refrigeración, ya que es una muestra de la capacidad que tiene el sistema de aprovechar la energía ilimitada disponible en el medio ambiente para cumplir con un propósito de utilidad que puede ser el calentar o enfriar un espacio o un material. El COP de un sistema que funcione bajo el ciclo termodinámico de refrigeración por compresión siempre será un valor superior a 1, y entre más alto sea este valor, mejor será el sistema, debido a que puede entregar más energía útil, con un consumo menor de energía eléctrica, lo cual es mucho más ecológico, y a su vez genera ahorros significativos en el costo energético.
El COP de un sistema varía de acuerdo a varios factores de incidencia, desde factores de diseño del propio sistema como geometrías, tipo de compresor o tipo de gas refrigerante, hasta condiciones medioambientales como la temperatura ambiente o la humedad relativa. Por ejemplo, para una bomba de calor, como su propósito es calentar un espacio o material, el COP será mayor entre mayor sea la temperatura ambiente y la humedad relativa. Con un refrigerador pasa lo contrario. Si por ejemplo una bomba de calor para calentar una piscina tiene un COP de 5, quiere decir que por cada 5 unidades de calor que el equipo le entregue al agua, se va a consumir solo 1 unidad de energía eléctrica, y el resto de la energía será tomada del ambiente de manera ilimitada.
A la hora de cotizar su sistema de climatización, siempre debe tener en cuenta el COP nominal de los sistemas, ya que esto le ahorrará costos energéticos que pueden llegar a ser muy significativos en corto, mediano y largo plazo. Debido a los altos valores de COP que tienen las bombas de calor, son consideradas la mejor opción para el calentamiento de fluidos, o espacios en general. En contraste con sistemas convencionales como quemadores a gas o resistencias eléctricas, una bomba de calor puede ahorrarle incluso hasta más de 5 veces los costos calentamiento, y brindándole el mismo resultado de calidad y confianza.
IM. Santiago Valencia Cañola. Departamento de Ingeniería, Más Centígrados S.A.S
Referencias
[1] F. Incropera, D. Dewitt, T. Bergman y A. Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer, John Wiley & Sons, Inc, 2007.
[2] R. Monasterio, P. Hernandez, and J. Sainz, La bomba de calor. Fundamentos, técnicas y aplicaciones, 1st ed. Madrid, España: McGraw Hill, 1993.
[3] Y. A. Cengel and M. A. Boles, Termodinâmica, 7th ed. 2012.
