Bomba de calor en climas fríos: rendimiento por debajo de −15 °C

La objeción que más se oye es que las bombas de calor «no funcionan cuando hace frío de verdad». Las cifras de implantación dicen lo contrario: en Europa encabezan la lista Noruega, Suecia y Finlandia, donde la media de enero queda muy por debajo de cero. Eso sí, el frío cambia la ingeniería. La potencia cae justo cuando la demanda de calor toca techo, el rendimiento baja, se forma escarcha en la batería exterior y ciertas decisiones de dimensionado, casi irrelevantes en un clima suave, pasan a decidir si la instalación funciona o no. Esta guía explica qué ocurre por debajo de 0 °C y cómo diseñar un sistema que siga siendo eficiente durante una ola de frío de −20 °C.

Por qué el frío reduce el rendimiento

El rendimiento depende del salto térmico, es decir, de la diferencia entre la fuente de calor y el agua de calefacción. El límite teórico (de Carnot) es:

El frío golpea dos veces. Al bajar la temperatura exterior, el salto crece. Y como el edificio necesita más calor, el control por curva climática sube a la vez la temperatura de impulsión. Pasar de +7 °C en el exterior con impulsión a 35 °C a −15 °C con impulsión a 50 °C viene a duplicar el salto, y el COP puede quedarse en la mitad.

Lo que consiguen los equipos reales para clima frío

Los fabricantes publican tablas de prestaciones en los puntos de ensayo normalizados de la EN 14511. Las cifras de abajo son habituales en los equipos aerotérmicos actuales para clima frío, con compresor inverter (R290, R32 o compresores con inyección de vapor). Cada modelo puede variar en ±15 %.

Gibb, Rosenow y sus colegas reunieron datos de campo y de laboratorio en una revisión publicada en Joule en 2023. Las bombas de calor aerotérmicas mantenían un COP en torno a 2 entre −10 y −15 °C, y en la mayoría de los ensayos a −20 °C o menos seguían por encima de 1,5. Incluso en las peores horas, por tanto, una bomba de calor gana a la resistencia eléctrica. Y esas horas no son muchas.

Por qué la cifra estacional aguanta

El frío extremo es raro. En Oslo, Helsinki o Montreal, la mayor parte de las horas de la temporada de calefacción transcurre entre −5 °C y +8 °C. Un equipo con COP 1,8 a −20 °C quizá solo pase 50–150 horas al año a esa temperatura. El factor de rendimiento estacional (SPF) se pondera según el calor entregado a cada temperatura, así que un emplazamiento frío suele quedarse 0,3–0,7 puntos por debajo de uno templado. No se hunde.

Desescarche: la pérdida oculta entre −7 °C y +5 °C

Cuando la batería exterior trabaja por debajo de 0 °C con aire húmedo, se forma escarcha que obstruye el paso del aire. El equipo invierte entonces el ciclo durante 2–10 minutos y la funde con calor sacado de la casa. La peor escarcha no aparece a −20 °C, cuando el aire es seco, sino hacia −3 °C a +3 °C con humedad alta, el tiempo normal de los inviernos marítimos y continentales. En esa franja, el desescarche suele costar un 2–10 % de la energía entregada. Buenas prácticas:

• Coloca la unidad exterior sobre un soporte de suelo o de pared, 30–50 cm por encima de la altura de nieve prevista.
• Dale al condensado un desagüe protegido de las heladas. El hielo que se acumula bajo el equipo es una avería frecuente.
• Mantenla lejos de las ventiscas y del goteo del tejado; un pequeño tejadillo ayuda.
• Elige un equipo con desescarche por demanda (gobernado por sensores), no por ciclos temporizados.

Dimensionar para la temperatura de diseño

La temperatura exterior de diseño es el valor de día frío que el sistema debe soportar, y normalmente solo se supera unos pocos días al año. Ronda los −12 °C en Berlín, de −14 °C a −16 °C en Bucarest, −20 °C en Oslo, −26 °C en Helsinki y entre −23 °C y −30 °C en Montreal o Minneapolis. Las normas nacionales y los datos climáticos de ASHRAE dan el valor exacto.

Hay dos enfoques:

1. Dimensionado monovalente: la bomba de calor cubre por sí sola el 100 % de la carga de diseño. Es sencillo y eficiente, pero el equipo queda sobredimensionado durante casi toda la temporada.
2. Dimensionado bivalente: la bomba de calor cubre la carga hasta un punto de bivalencia (a menudo entre −5 °C y −10 °C). Por debajo, completa una resistencia eléctrica o una caldera existente.

Como las horas más frías son pocas, una bomba de calor dimensionada para el 80–90 % de la carga punta sigue aportando, en la mayoría de los casos, el 95–99 % del calor anual. Esos últimos puntos porcentuales que pone la resistencia cuestan poco.

Ejemplo práctico: casa de 160 m² cerca de Oslo

• Pérdidas de diseño: 9 kW a −20 °C (casa de los años noventa reformada); demanda anual de calor de 21.000 kWh.
• Opción A: equipo aire-agua de 9 kW para clima frío. A −20 °C entrega ~70 %, es decir, 6,3 kW, y la resistencia de apoyo de 6 kW echa una mano por debajo de unos −12 °C. Una simulación horaria con datos meteorológicos da un apoyo ≈ 3 % del calor y un SPF ≈ 2,8. Electricidad: 21.000 / 2,8 ≈ 7.500 kWh.
• Opción B: geotermia con 120 m de perforación (dos pozos de 60 m en el lecho rocoso típico de Noruega), SPF ≈ 3,8. Electricidad ≈ 5.530 kWh.
• A 1,5 NOK/kWh (~0,13 €), la opción B ahorra ~2.000 kWh, unos 260 € al año, pero cuesta 10.000–15.000 € más. Es una amortización larga, y por eso la aerotermia domina las nuevas instalaciones en Noruega pese al frío.
• Frente a la calefacción eléctrica directa, que consumiría entre 5.000 y 20.000 kWh más, las dos opciones suponen un gran avance.

Prueba con tu propio clima en la calculadora de bomba de calor y dimensiona las perforaciones con la calculadora de bomba de calor geotérmica.

Aire-aire: el caballo de batalla del clima frío

En Escandinavia y Japón, la bomba de calor típica no es un sistema hidrónico. Es un simple split aire-aire colgado en la pared del salón. Los modelos pensados para los mercados nórdicos tienen un SCOP de 4,5–5,5 en el clima de referencia «más frío» de la UE y funcionan hasta −25 °C o −30 °C. En una casa que se calienta con radiadores eléctricos, un solo equipo de 2.000–3.500 € que dé servicio a la zona abierta de salón y cocina puede recortar la electricidad de calefacción un 30–50 %. Sus límites: no produce agua caliente y a los dormitorios cerrados les llega poco calor.

Geotermia y otras alternativas

A partir de unos 2 m de profundidad, el terreno se mantiene cerca de la temperatura media anual del aire: de +5 a +8 °C en Escandinavia y de +9 a +12 °C en Europa central. Un captador vertical devuelve la salmuera a unos 0–5 °C incluso en febrero. La bomba de calor trabaja así con un salto casi constante y nunca desescarcha. Los inconvenientes son el coste y el dimensionado a largo plazo: perforar cuesta 40–80 € por metro en Europa, y las perforaciones deben tener tamaño suficiente para no agotar el terreno con el paso de las décadas.

Otras opciones:

• Bombas de calor híbridas, que combinan un equipo aerotérmico con una caldera de gas o de gasóleo existente que se encarga de las horas más frías. Tienen sentido donde la red está al límite o no se pueden cambiar los radiadores.
• Bombas de calor de CO₂ (R744), que producen agua a 65–90 °C con buen rendimiento, algo muy útil para el agua caliente sanitaria en climas fríos.
• Bombas de calor de aire de extracción, que recuperan el calor del aire de ventilación en las casas nórdicas muy herméticas.

Las olas de frío y la red eléctrica

Cuando millones de hogares se calientan con bomba de calor, las horas más frías marcan la punta de demanda eléctrica. Una bomba de calor con COP 2 consume la mitad de potencia que una resistencia para dar el mismo calor. Sustituir la calefacción eléctrica directa (habitual en Noruega, Suecia, Francia y Quebec) por bombas de calor reduce, por tanto, las puntas de invierno, mientras que sustituir el gas las eleva. Las casas bien aisladas y con inercia térmica pueden pasar una hora punta con la calefacción apagada, y cada vez más tarifas inteligentes pagan por hacerlo. Compara el mix eléctrico de cada país en el mapa mundial de la energía.

Lista de comprobación para una instalación en clima frío

• Haz un cálculo de pérdidas térmicas riguroso con la temperatura de diseño local. No copies la potencia de la caldera antigua.
• Elige un modelo con datos publicados de potencia y COP a −15 °C y −20 °C. En Norteamérica, la lista de equipos para clima frío de NEEP es un buen filtro.
• Busca la temperatura de impulsión más baja posible: 35–45 °C en condiciones de diseño, si los radiadores lo permiten.
• Aísla antes de comprar. En un clima frío, cada kW de pérdidas que evitas ahorra a la vez en equipo y en electricidad (mira la calculadora de ahorro por aislamiento).
• Monta la unidad exterior por encima de la nieve, resguardada del viento dominante y con un desagüe calefactado o protegido contra heladas.
• Configura la resistencia de apoyo para que solo entre por debajo del punto de bivalencia y registra lo que consume.
• Compara el coste total en la comparativa de costes de calefacción, contando los términos fijos del gas que te ahorras al darte de baja.

Lo esencial

Las bombas de calor pierden potencia y rendimiento a medida que baja la temperatura. Aun así, los equipos actuales para clima frío siguen entregando unas dos unidades de calor por cada unidad de electricidad a −15 °C, y las buenas instalaciones en climas nórdicos alcanzan rendimientos estacionales muy por encima de 2,5. Lo que marca la diferencia es el diseño: dimensionar con la temperatura de diseño real, trabajar con impulsión baja, colocar bien la unidad exterior y tener un apoyo que de verdad sea solo un apoyo. Para lo básico sobre el COP y los costes de funcionamiento, lee La bomba de calor, explicada.

Las cifras de esta guía son rangos típicos tomados de las fuentes citadas; las tuyas dependerán de la ubicación, los precios y los equipos. Usa las calculadoras enlazadas para obtener estimaciones adaptadas a tu caso.