Al diseñar un sistema de bomba de calor aire-agua, una de las decisiones más importantes es cómo se conectará hidráulicamente la bomba de calor a los terminales de calefacción y refrigeración del edificio.

Para instalaciones relativamente sencillas, un sistema hidrónico primario o directo puede ser suficiente. Sin embargo, cuando un proyecto incluye varios tipos de unidades terminales, como calefacción por suelo radiante, radiadores y unidades de fan coil, los requisitos hidráulicos se vuelven mucho más complicados.

Aquí es donde un sistema hidrónico secundario, que normalmente utiliza un acumulador y dos bombas de circulación, resulta especialmente útil.

¿Pero toda instalación de bomba de calor necesita un sistema secundario?

No necesariamente.

Un sistema hidrónico secundario proporciona una mayor estabilidad hidráulica, mayor flexibilidad y mejores condiciones de funcionamiento de la bomba de calor. Al mismo tiempo, aumenta el coste del sistema, el consumo de energía de bombeo, la complejidad de la instalación y la posible pérdida de calor.

Comprender estos compromisos es esencial para diseñar un sistema de bomba de calor aire-fuente eficiente.

1. ¿Qué es un sistema hidrónico secundario?

Un sistema hidrónico secundario típico divide el circuito de agua en dos bucles hidráulicos.

El primer bucle es el circuito primario de la bomba de calor:

Bomba de calor → Acumulador → Bomba de calor

El segundo bucle es el circuito de carga del edificio:

Acumulador → Bomba de circulación → Terminales de calefacción/refrigeración → Acumulador

Por lo tanto, el acumulador actúa como conexión común entre la fuente de calor y la carga del edificio.

A diferencia de un sistema directo, la bomba de circulación de la bomba de calor no tiene que proporcionar necesariamente todo el caudal de agua requerido por el sistema de distribución del edificio.

Esta es una de las diferencias más importantes entre los diseños hidrónicos primarios y secundarios.

2. ¿Por qué los sistemas de bombas de calor necesitan separación hidráulica?

La bomba de calor y los terminales del edificio no siempre requieren el mismo caudal de agua.

Considere un edificio equipado con:

• Radiadores

• Unidades de fan coil

• Calefacción por suelo radiante

Cada terminal puede operar con diferentes temperaturas de agua, diferencias de temperatura (ΔT), caudales, válvulas de control y horarios de funcionamiento.

Por ejemplo, las condiciones típicas de diseño pueden ser aproximadamente las siguientes:

Estas cifras son referencias de diseño y no reglas universales; los valores reales siempre deben seguir la selección del terminal y el cálculo de la carga térmica del proyecto.

El problema de ingeniería clave es simple:

El caudal requerido por la bomba de calor puede no ser igual al caudal requerido por el sistema terminal.

Un circuito hidrónico secundario ayuda a separar estos dos requisitos hidráulicos.

Ventajas de un sistema hidrónico secundario

3. Ventaja n.º 1: Caudal de agua más estable para la bomba de calor

Las bombas de calor normalmente requieren un caudal de agua mínimo a través del intercambiador de calor.

Sin embargo, en un sistema directo, los termostatos de ambiente, las válvulas de zona, las válvulas termostáticas de radiador o las válvulas de control de fan coil pueden cambiar continuamente el caudal del sistema.

Imagine una casa con ocho zonas de calefacción.

Cuando las ocho zonas están abiertas, el caudal de agua puede ser suficiente.

Pero cuando seis zonas alcanzan su temperatura de consigna y cierran sus válvulas, solo quedan dos zonas activas.

La resistencia del sistema cambia drásticamente y el caudal a través de la bomba de calor puede caer por debajo del rango de funcionamiento recomendado.

Esto puede contribuir a problemas como:

• Alarmas de caudal de agua insuficiente

• Diferencia excesiva entre la temperatura de suministro y retorno

• Alta presión de condensación

• Reducción de la capacidad de calefacción

• Funcionamiento inestable del compresor

• Ciclos frecuentes

Un sistema secundario reduce esta interacción porque la bomba de calor tiene su propio bucle de circulación dedicado.

Conclusión de ingeniería

La bomba de calor experimenta un entorno hidráulico más predecible, incluso cuando cambia el caudal del lado del edificio.

Para las bombas de calor inverter, esto puede ser particularmente valioso porque las condiciones de agua estables ayudan a que la estrategia de modulación del compresor funcione de manera más efectiva.

4. Ventaja n.º 2: Mejor compatibilidad con múltiples tipos de terminales

Un sistema de calefacción hidrónico moderno puede contener varios tipos diferentes de terminales.

Por ejemplo:

Bomba de calor → Acumulador → Radiadores + Fan coils + Calefacción por suelo radiante

Estos terminales rara vez requieren exactamente el mismo caudal y temperatura del agua.

La calefacción por suelo radiante suele funcionar a temperaturas de agua relativamente bajas, mientras que los radiadores tradicionales pueden requerir temperaturas significativamente más altas. Los fan coils pueden funcionar tanto en modo de calefacción como de refrigeración y a menudo utilizan una diferencia de temperatura (ΔT) relativamente pequeña en el lado del agua.

Un sistema secundario facilita la creación de ramas de distribución separadas utilizando:

• Bombas de circulación independientes

• Válvulas de mezcla

• Válvulas de zona

• Colectores

• Controles de temperatura

• Control de presión diferencial

Esto proporciona una flexibilidad de diseño significativamente mayor.

5. Ventaja n.º 3: El acumulador proporciona inercia térmica

Uno de los componentes más importantes en muchos sistemas de bombas de calor secundarias es el acumulador.

El agua tiene una considerable capacidad de almacenamiento térmico.

Por lo tanto, un acumulador aumenta el volumen total de agua del sistema hidrónico y añade inercia térmica.

La energía térmica almacenada se puede aproximar mediante:

Q = m × Cp × ΔT

Donde:

• Q = energía térmica almacenada

• m = masa de agua

• Cp = capacidad calorífica específica del agua

• ΔT = diferencia de temperatura utilizable

Para cálculos prácticos de HVAC:

1 litro de agua almacena aproximadamente 1,16 Wh por cada 1 °C de cambio de temperatura.

Por lo tanto, un acumulador de 200 L que opera en un rango de temperatura utilizable de 5 K almacena aproximadamente:

200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh

Esto no significa que un acumulador sea una fuente de energía.

Simplemente almacena energía temporalmente y la libera más tarde.

Esa distinción es importante.

6. Ventaja n.º 4: Reducción del ciclado corto de la bomba de calor

El ciclado corto ocurre cuando una bomba de calor arranca, alcanza rápidamente su objetivo de temperatura, se detiene y luego se reinicia poco después.

Esto ocurre con frecuencia cuando:

Salida mínima de la bomba de calor > Demanda de calor actual del edificio

Por ejemplo, supongamos que una bomba de calor inverter puede modular hasta 5 kW, pero el edificio actualmente solo requiere 2 kW.

Sin suficiente volumen de agua en el sistema, la temperatura del agua de suministro puede aumentar rápidamente.

El controlador alcanza la temperatura objetivo y detiene el compresor.

El edificio continúa extrayendo calor, la temperatura del agua desciende y el compresor se reinicia.

El resultado puede ser:

Inicio → Parada → Inicio → Parada → Inicio

El ciclado repetido del compresor puede:

• Reducir la eficiencia estacional

• Aumentar el consumo eléctrico

• Aumentar los arranques del compresor

• Aumentar el desgaste de los componentes

• Causar temperaturas interiores inestables

El volumen de agua adicional de un acumulador dimensionado correctamente ralentiza los cambios de temperatura del agua.

En lugar de:

45 °C → 50 °C muy rápidamente

el sistema puede tardar considerablemente más en alcanzar el límite de control.

Esto le da a la bomba de calor un ciclo de funcionamiento más largo.

7. Ventaja n.º 5: Mejor estabilidad hidráulica durante carga parcial

Los edificios rara vez operan al 100% de la demanda de calefacción de forma continua.

Durante la primavera y el otoño, por ejemplo, solo una parte del edificio puede requerir calefacción.

Algunas habitaciones pueden alcanzar sus temperaturas de consigna mientras que otras todavía requieren calor.

Esto crea una condición de flujo variable.

Un circuito secundario permite que la bomba del lado del edificio responda a esta demanda cambiante mientras que el circuito del lado de la bomba de calor mantiene el caudal requerido por la bomba de calor.

Esta separación hidráulica puede hacer que todo el sistema sea más fácil de controlar.

8. Ventaja n.º 6: Mayor flexibilidad para proyectos complejos de HVAC

Los sistemas secundarios se vuelven particularmente útiles cuando el proyecto contiene:

Bomba de calor + Acumulador + Múltiples zonas de calefacción + Fan coils + Radiadores + Calefacción por suelo radiante

También son útiles para:

• Edificios residenciales grandes

• Hoteles

• Edificios comerciales

• Escuelas

• Villas con múltiples zonas de calefacción

• Proyectos de renovación

• Sistemas híbridos de radiadores/calefacción por suelo radiante

• Sistemas de calefacción y refrigeración con múltiples tipos de terminales

En estos proyectos, la complejidad hidráulica adicional a menudo se justifica por la mejora del control.

Desventajas de un sistema hidrónico secundario

Un sistema secundario no es automáticamente más eficiente.

Este es un punto crítico.

Más componentes pueden resolver problemas hidráulicos, pero cada componente adicional también introduce costes y posibles pérdidas de energía.

9. Desventaja n.º 1: Se requiere una bomba de circulación adicional

Un sistema directo típico puede funcionar con una bomba de circulación principal.

Un sistema secundario normalmente requiere al menos dos:

Bomba 1: Bomba de calor ↔ Acumulador

Bomba 2: Acumulador ↔ Terminales del edificio

Las zonas de calefacción adicionales pueden requerir aún más bombas.

Cada bomba de circulación consume electricidad.

Por lo tanto:

Un sistema secundario puede mejorar la estabilidad operativa de la bomba de calor y, al mismo tiempo, aumentar el consumo eléctrico auxiliar.

Por lo tanto, el sistema debe evaluarse en función del consumo total de energía estacional, no solo del COP de la bomba de calor.

Generalmente se prefieren las bombas de circulación ECM de alta eficiencia con control de velocidad variable.

10. Desventaja n.º 2: Mayor coste inicial

En comparación con una conexión directa simple, un sistema secundario puede requerir:

• Generalmente dos o más

• Bomba de circulación adicional

• Más tuberías

• Más válvulas de aislamiento

• Válvulas antirretorno

• Sensores

• Accesorios de expansión

• Válvulas de mezcla

• Controles adicionales

• Más mano de obra de instalación

Esto aumenta el coste inicial del proyecto.

Para una instalación residencial pequeña con un solo bucle simple de calefacción por suelo radiante, la complejidad adicional no siempre proporcionará un beneficio suficiente.

Sin embargo, para un proyecto grande multizona, el coste adicional puede estar justificado.

11. Desventaja n.º 3: Pérdida de calor adicional

Un acumulador no está perfectamente aislado.

Tampoco lo están las tuberías, válvulas y accesorios adicionales requeridos por el circuito secundario.

Por lo tanto, se puede perder calor de:

• Paredes del acumulador

• Tuberías de distribución

• Válvulas y accesorios

• Cuerpos de bomba

• Salas técnicas

Un buen aislamiento puede minimizar estas pérdidas, pero no eliminarlas por completo.

Esto es particularmente importante cuando el acumulador se instala en un espacio no acondicionado.

12. Desventaja n.º 4: Un mal diseño hidráulico puede reducir la eficiencia de la bomba de calor

Añadir un acumulador no crea automáticamente un buen sistema.

Un problema común ocurre cuando los caudales primario y secundario están mal equilibrados.

Sea:

Vp = caudal primario de la bomba de calor

Vs = caudal secundario del edificio

Si:

Vp > Vs

parte del agua caliente de suministro puede retornar directamente a través del acumulador hacia la bomba de calor.

Si:

Vs > Vp

parte del agua de retorno más fría puede mezclarse en el suministro secundario.

Este fenómeno a veces se denomina mezcla hidráulica.

Una mezcla excesiva puede cambiar la temperatura del agua suministrada a los terminales y obligar a la bomba de calor a operar a una temperatura de agua de salida más alta.

Dado que la eficiencia de la bomba de calor generalmente disminuye a medida que aumenta la temperatura del agua requerida, un mal diseño hidráulico puede reducir el COP.

13. Desventaja n.º 5: El control se vuelve más complicado

Un sistema directo es relativamente sencillo.

La bomba de calor monitoriza la temperatura del agua y controla un circuito hidráulico principal.

Un sistema secundario puede implicar:

• Controlador de bomba de calor

• Bomba de circulación primaria

• Bomba de circulación secundaria

• Sensor del acumulador

• Termostatos de ambiente

• Válvulas de zona

• Válvula de mezcla

• Compensación climática

• Controles de fan coil

• Controles de calefacción por suelo radiante

Estos componentes deben funcionar juntos correctamente.

Una lógica de control deficiente puede crear situaciones en las que las bombas funcionen innecesariamente o la bomba de calor opere cuando hay poca demanda de calefacción real.

Por lo tanto, la estrategia de control es tan importante como el diseño hidráulico

.

14. ¿Es siempre necesario un acumulador para una bomba de calor?

No.

Este es uno de los conceptos erróneos más comunes en el diseño de bombas de calor aire-agua.

Un acumulador debe resolver un problema de ingeniería específico.

• Puede ser útil cuando:

• El volumen de agua del sistema es insuficiente

• Múltiples zonas de calefacción se abren y cierran con frecuencia

• No se puede garantizar de otro modo el caudal mínimo de la bomba de calor

• La salida mínima de la bomba de calor excede la demanda frecuente de carga parcial

• Varios tipos de terminales requieren separación hidráulica

• La operación de desescarche requiere un volumen de agua disponible adecuado

Los requisitos de caudal primario y secundario son significativamente diferentes

Sin embargo, si el sistema ya proporciona un volumen de agua adecuado, un caudal estable, una zonificación adecuada y una buena modulación de la bomba de calor, un acumulador grande puede proporcionar poco beneficio adicional.

15. Los acumuladores más grandes no siempre son mejores

Otro concepto erróneo común es:

“Si 100 litros son buenos, 500 litros deben ser mejores.”

Eso no es necesariamente cierto.

• Un acumulador sobredimensionado puede:

• Aumentar el coste del sistema

• Aumentar la pérdida de calor

• Aumentar innecesariamente el volumen de agua del sistema

• Aumentar el tiempo de calentamiento

• Requerir más espacio de instalación

Reducir la capacidad de respuesta del control

Por lo tanto, el dimensionamiento del acumulador debe calcularse en lugar de seleccionarse por costumbre.

• El volumen correcto depende de factores que incluyen:

• Capacidad de la bomba de calor

• Capacidad mínima de modulación

• Tiempo mínimo de funcionamiento del compresor

• Demanda mínima de calor del edificio

• Volumen de agua del sistema

• Oscilación de temperatura admisible

• Requisitos de desescarche

Requisitos de volumen de agua mínimo del fabricante

Una relación de ingeniería simplificada es:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

donde el volumen requerido está relacionado con el desequilibrio de calor que debe absorberse durante el período de funcionamiento mínimo deseado.

En el diseño práctico, los requisitos hidráulicos del fabricante de la bomba de calor siempre deben tener prioridad.

Sistemas complejos/multizona

Ningún diseño es universalmente mejor.

La elección correcta depende del edificio y de las condiciones de funcionamiento.

17. Un ejemplo práctico

Considere una casa que utiliza una bomba de calor aire-agua con:Zona A:
Calefacción por suelo radianteZona B:
RadiadoresZona C:

Unidades de fan coil

Durante el invierno, las tres zonas pueden operar.

Durante el clima templado, solo la calefacción por suelo radiante puede requerir calor.

Durante el verano, solo los fan coils pueden operar para refrigeración.

Por lo tanto, el caudal del sistema cambia significativamente a lo largo del año.

Un diseño hidrónico secundario puede permitir que la bomba de calor mantenga un caudal primario estable mientras que el sistema de distribución secundario responde de forma independiente a la demanda del edificio.

Una configuración típica podría ser:
Bomba secundaria / Colector de distribución
↓
Bomba secundaria / Colector de distribución
↓
Bomba secundaria / Colector de distribución
↓
Bomba secundaria / Colector de distribución
↓

Radiadores + Fan coils + Calefacción por suelo radiante

Para el circuito de calefacción por suelo radiante, también puede ser necesario un sistema de mezcla si su temperatura de suministro requerida es inferior a la de otros terminales.

Es por eso que los sistemas hidrónicos secundarios son comunes en proyectos de bombas de calor más complejos.

18. El principio de diseño más importante

El propósito de un sistema secundario no es simplemente añadir un acumulador.

Su verdadero propósito es gestionar la relación entre:

Fuente de calor ↔ Caudal de agua ↔ Almacenamiento térmico ↔ Carga del edificio

Un sistema bien diseñado mantiene estos cuatro elementos equilibrados.

Si la bomba de calor produce más calor del que el edificio consume actualmente, el sistema necesita suficiente capacidad térmica y lógica de control para evitar un rápido aumento de la temperatura y la parada del compresor.

Si el edificio requiere más calor del que la bomba de calor está produciendo actualmente, el calor almacenado en el sistema puede reducir temporalmente la tasa de disminución de la temperatura del agua.

Esta inercia térmica ayuda a suavizar la discrepancia entre la salida instantánea de la bomba de calor y la demanda del edificio.

Sin embargo, el almacenamiento térmico no crea energía.

En última instancia:

Calor producido por la bomba de calor = Calor entregado al edificio + Pérdidas del sistema ± Cambio en la energía térmica almacenada

Este balance energético es la base del diseño de bombas de calor hidrónicas.

Conclusión: ¿Cuándo elegir un sistema hidrónico secundario?

Un sistema hidrónico secundario puede ser una excelente solución cuando una bomba de calor aire-fuente sirve a un edificio complejo con caudal de agua variable, múltiples zonas de calefacción o diferentes unidades terminales.

Sus principales ventajas son:

caudal estable de la bomba de calor, separación hidráulica, mayor volumen de agua del sistema, reducción del ciclado corto y mejor flexibilidad multizona.

Sus principales desventajas son:

mayor coste inicial, consumo eléctrico adicional de la bomba, mayor complejidad de instalación, pérdida de calor adicional y la posibilidad de mezcla hidráulica si el sistema está mal diseñado.

Por lo tanto, la pregunta de ingeniería no debería ser:

¿Debería toda bomba de calor tener un acumulador?

Una mejor pregunta es:

¿Necesita este sistema en particular separación hidráulica o masa térmica adicional para mantener un funcionamiento estable y eficiente de la bomba de calor?

Esa pregunta conduce a un diseño de HVAC mucho mejor.

Preguntas frecuentes: Sistemas hidrónicos secundarios y acumuladores

¿Qué es un sistema hidrónico secundario?

Un sistema hidrónico secundario separa el circuito de la bomba de calor del circuito de distribución del edificio. Los dos circuitos normalmente se conectan a través de un acumulador u otra forma de separación hidráulica.

¿Por qué se utilizan dos bombas de circulación?

Una bomba mantiene el caudal de agua requerido a través de la bomba de calor, mientras que la segunda bomba suministra los terminales de calefacción o refrigeración del edificio según sus propios requisitos de caudal.

¿Mejora un acumulador la eficiencia de la bomba de calor?

No automáticamente. Puede reducir el ciclado corto y estabilizar el funcionamiento, lo que puede mejorar el rendimiento estacional en ciertos sistemas. Sin embargo, el acumulador también introduce pérdidas de calor, y una bomba adicional consume electricidad.

¿Puede una bomba de calor funcionar sin acumulador?

Sí. Muchos sistemas bien diseñados pueden funcionar sin él, siempre que se cumplan los requisitos de caudal mínimo, volumen de agua mínimo, zonificación, desescarche y tiempo de funcionamiento del compresor.

¿Es un sistema secundario mejor para la calefacción por suelo radiante?

No necesariamente. Un sistema simple de calefacción por suelo radiante con caudal estable a menudo puede funcionar bien con una conexión directa. Los sistemas secundarios se vuelven más valiosos cuando la calefacción por suelo radiante se combina con radiadores, fan coils, múltiples zonas o diferentes requisitos de temperatura del agua.

¿Qué sucede si el acumulador es demasiado grande?