Parte 32 · Clase 314 de 830

ARQ-314 · Bombas de calor y ciclos básicos

Parte 32 · Clase desarrollada · Incorporada en v0.19.0.

Prerrequisitos conceptuales: ARQ-313, ARQ-278, ARQ-281. Sin calendario. Casos, observaciones y parámetros ficticios salvo antecedentes atribuidos. Material educativo; revisión externa especializada pendiente.

Pregunta central

¿Cómo puede una bomba de calor entregar más calor que la electricidad que consume sin crear energía, y qué necesita conocer la arquitectura además de su COP?

Resultado y continuidad

La clase anterior distinguió carga y capacidad. Esta desarrolla BC-CICLO-01, un circuito termodinámico ficticio con cuatro estados y balances por componente. No se utiliza un refrigerante real, una tabla de presiones ni un procedimiento de carga. Entregarás un diagrama, un balance de energía y una matriz de interfaces. Los valores no pertenecen al equipo SHR ni a la caja de contaminantes anteriores.

1. Transportar calor no es producirlo íntegramente desde electricidad

Una bomba de calor utiliza trabajo para transferir energía térmica entre regiones. En refrigeración interesa retirar calor de una región; en calefacción, entregarlo a otra. El balance obliga a contabilizar también la energía aportada al proceso. La exposición de OpenStax distingue esos servicios y sus coeficientes de desempeño [ENE-COP].

Por eso un COP superior a uno no significa una eficiencia de conversión eléctrica imposible. El numerador incluye calor transportado desde otra fuente además del trabajo. Conviene dibujar tres flechas: calor que entra desde el lado frío, trabajo que entra al dispositivo y calor que sale al lado caliente.

La ubicación de esas regiones es una decisión arquitectónica. Un equipo que rechaza calor al mismo recinto del que lo extrae no ofrece el mismo servicio que uno conectado al exterior. La etiqueta “refrigeración” no permite ignorar dónde se entrega el calor y dónde terminan las pérdidas auxiliares.

2. Leer los cuatro componentes por su función

En el esquema de compresión de vapor, el evaporador recibe calor desde el medio que se enfría. El compresor aporta trabajo y modifica el estado del fluido. El condensador entrega calor al medio receptor. El elemento de expansión reduce presión y permite volver a condiciones de evaporación.

Esta descripción no autoriza intervenir esos componentes. Presión, temperatura, sustancia, lubricación, seguridad y compatibilidad requieren datos y competencias específicas. En el diagrama docente se muestran funciones y fronteras, no válvulas que el estudiante deba ajustar.

Denominamos estado 1 a la entrada del compresor; 2 a su salida; 3 a la salida del condensador; 4 a la salida de expansión. La numeración es una convención de esta clase. No debe transferirse a un plano de fabricante sin comprobar cómo identifica sus propios puntos.

3. Entalpía y caudal másico

La entalpía específica h expresa energía por unidad de masa adecuada para estos balances de flujo. Su cero de referencia importa al comparar tablas, pero en los intercambios aparecen diferencias. Una corriente de 0,020 kg/s que cambia cien kJ/kg intercambia dos kJ/s, es decir dos kW.

Para un componente estacionario, despreciando cambios cinéticos y potenciales y bajo las fronteras adoptadas, se relacionan calor, trabajo y diferencias de entalpía. No se identifica h con temperatura: dos estados a una misma temperatura pueden tener composiciones de fase distintas. Tampoco bastan cuatro entalpías para comprobar todos los estados físicos de un fluido real.

BC-CICLO-01 adopta h₁ = 400, h₂ = 440, h₃ = h₄ = 250 kJ/kg, y flujo de 0,020 kg/s. Los valores son inventados para cerrar energía. La igualdad h₃ = h₄ representa una expansión idealizada sin intercambio de calor ni trabajo útil, no igualdad de temperaturas.

4. Resolver cada balance

El trabajo aportado al compresor es W = ṁ(h₂−h₁) = 0,020·40 = 0,80 kW. El calor absorbido en el evaporador es Q_f = ṁ(h₁−h₄) = 0,020·150 = 3,00 kW.

El calor entregado en el condensador resulta Q_c = ṁ(h₂−h₃) = 0,020·190 = 3,80 kW. La comprobación global es 3,00 + 0,80 = 3,80 kW. Esta igualdad no depende de una imagen del circuito: surge de que, al recorrerlo, las diferencias de entalpía se cancelan.

Definimos COP_frío = Q_f/W = 3,75 y COP_calor = Q_c/W = 4,75. Bajo estas fronteras, el segundo excede al primero en uno. No se adopta esa identidad entre dos etiquetas comerciales que podrían incluir auxiliares o condiciones diferentes.

Figura 314. Tres kW proceden del lado frío y 0,80 del trabajo. La entrega de 3,80 kW conserva energía; el diagrama no representa un refrigerante seleccionado.

5. Ampliar la frontera cambia el indicador

BC-AUX-01 añade 0,20 kW eléctricos para auxiliares. Se supone expresamente que su calor no se incorpora al servicio útil del condensador contado arriba. La entrada de la frontera ampliada es un kW y la entrega útil continúa en 3,80. Su cociente pasa a 3,80, distinto de 4,75.

Si parte del calor auxiliar terminara dentro de la región útil, habría que cambiar el balance. No se elige una convención según produzca el indicador más atractivo. Se dibuja dónde están motor, ventilador, tuberías y ambiente receptor, y se indica qué medición corresponde al numerador y al denominador.

La misma disciplina evita contar el calor del condensador como ahorro de calefacción y el del evaporador como ahorro de refrigeración sin comprobar demandas simultáneas y sistemas sustituidos. Pueden existir usos conjuntos, pero su comparación necesita referencias y cronología. No son dos créditos independientes que aparezcan automáticamente al sumar flechas.

6. La diferencia de temperatura condiciona el problema

Un límite reversible entre depósitos a temperaturas absolutas T_c y T_f tiene COP_calor = T_c/(T_c−T_f). Como ejercicio independiente, con 318,15 K y 273,15 K se obtiene 7,07. Utilizar grados Celsius en ese cociente sería incorrecto.

Este límite no calcula el rendimiento de nuestro circuito: faltan propiedades y procesos, y las temperaturas no se asignaron a sus estados. Sirve para mostrar que un salto térmico mayor cambia la dificultad termodinámica. Un COP inferior a ese límite tampoco prueba por sí solo la viabilidad de una máquina imaginada.

En un edificio, la temperatura requerida por la distribución y la condición de la fuente influyen en la operación. Por eso la selección de emisores, superficies y controles debe coordinarse con el sistema, no resolverse después mediante un COP fijo supuesto para todo el año.

7. Condiciones nominales y estados parciales

Una máquina real puede modificar capacidad y entrada cuando cambian temperaturas, caudales, carga y control. La documentación de baterías de EnergyPlus distingue condiciones nominales, correcciones y comportamiento parcial [HVAC-COILS]. La clase no implementa esas curvas; señala qué información reemplazaría la simplificación.

Duplicar el flujo ficticio de BC-CICLO manteniendo todas las diferencias de entalpía duplica W, Q_f y Q_c y conserva ambos COP. Es una consecuencia del modelo lineal. No demuestra que duplicar velocidad o tamaño de un equipo real preserve sus estados ni su eficiencia.

Un informe debería separar capacidad disponible por estado, energía del período y límites de regulación. Los arranques, auxiliares, descongelación o modos alternativos deben documentarse cuando correspondan. No se les asigna una penalización universal tomada de memoria para completar la tabla.

8. Interfaces que el arquitecto debe anticipar

El sistema necesita intercambiar energía con fuentes y receptores, conectarse a distribución, ocupar espacio y permitir mantenimiento. Deben estudiarse tomas y descargas, recorridos, vibración, ruido, soporte, acceso y eventuales condensados, según la configuración elegida.

Una unidad exterior no es simplemente un volumen que cabe en cubierta. Su acceso, circulación de aire y relación acústica con recintos requieren revisión. Un equipo interior tampoco queda coordinado porque su símbolo cabe sobre un cielo: hay que representar conexiones, extracción de piezas y trayectorias de reemplazo.

Los refrigerantes y sus riesgos no se seleccionan desde estos números. El expediente debe identificar qué especialistas y documentación establecerán condiciones de instalación y operación. La contribución del estudiante es formular interfaces y evitar que la coordinación espacial se haga después de comprometer una solución incompatible.

9. Comparar opciones sin mezclar servicios

Una alternativa podría entregar el mismo calor con distinta temperatura de suministro, cambiar auxiliares o requerir otro espacio técnico. Antes de comparar energía, declara qué servicio permanece. No se equiparan sistemas si uno atiende solo calor sensible y otro incorpora humedad, ventilación o simultaneidad de usos diferentes.

La matriz docente tendrá filas para energía útil, entrada, condiciones de fuente, condiciones de distribución, capacidades pendientes y consecuencias espaciales. Una columna “COP” no resume todo. Tampoco se convierte en una comparación ambiental sin inventarios y horizonte.

Cierra el caso con la comprobación global y una explicación de la frontera. Otra persona debe poder descubrir si se incluyó el ventilador o si se sumó un auxiliar dos veces. Esa claridad es más útil que presentar un coeficiente con muchos decimales sin decir qué representa.

Práctica independiente

Un circuito ficticio usa ṁ = 0,030 kg/s, h₁ = 410, h₂ = 455 y h₃ = h₄ = 260 kJ/kg. Calcula trabajo, calor absorbido, calor entregado y ambos COP. Comprueba energía. Añade 0,15 kW auxiliares con la misma convención de calor no útil y calcula el indicador ampliado de calefacción.

Explica qué sucede si alguien informa un COP calculado con Q_c en el numerador, pero utiliza como entrada solo la mitad del trabajo del compresor. Redacta dos preguntas espaciales que faltan antes de estudiar una instalación real.

Autoevaluación y enlace

Reconstruye los cuatro estados sin confundir entalpía con temperatura y explica por qué cambia el COP al ampliar la frontera. ARQ-315 estudiará cómo llevar el servicio hasta los recintos mediante aire y agua, conservando energía, caudales y condiciones de distribución.

Decisión pedagógica y posición curricular

Por qué existe

Esta clase existe para resolver una necesidad concreta del recorrido: ¿Cómo puede una bomba de calor entregar más calor que la electricidad que consume sin crear energía, y qué necesita conocer la arquitectura además de su COP?

Por qué está exactamente aquí

Ocupa el lugar 4 de la Parte 32. Se estudia después de ARQ-313 · Carga térmica frente a capacidad de equipos porque usa esa base para responder «¿Cómo puede una bomba de calor entregar más calor que la electricidad que consume sin crear energía, y qué necesita conocer la arquitectura además de su COP?». Se ubica antes de ARQ-315 · Distribución por aire y por agua porque la evidencia producida aquí debe estar disponible para ese paso.

• Prerrequisitos: ARQ-313, ARQ-278, ARQ-281
• Capacidad que introduce: La clase anterior distinguió carga y capacidad. Esta desarrolla BC-CICLO-01 , un circuito termodinámico ficticio con cuatro estados y balances por componente. No se utiliza un refrigerante real, una tabla de presiones ni un procedimiento de carga.
• Clases o experiencias que dependen de ella: ARQ-315, ARQ-324

flowchart LR
    A["Prerrequisitos · ARQ-313, ARQ-278, ARQ-281"] --> B["ARQ-314 · necesidad y fundamento"]
    S["Fuentes · ENE-COP University Physics Volume 2, 4.3: Refrigerators and Heat Pumps + HVAC-COILS EnergyPlus 24.2 Engineering…"] --> B
    B --> C["Actividad auténtica"]
    C --> D["Evidencia auditable"]
    D --> E["Continuidad · ARQ-315, ARQ-324"]

El diagrama permite comprobar una relación que el texto lineal oculta con facilidad: esta clase recibe capacidades previas, toma decisiones apoyadas por fuentes, exige una experiencia y produce evidencia que habilita trabajo posterior. No representa un procedimiento de obra.

Resultado observable, evidencia y evaluación

1. Identificar y delimitar las condiciones necesarias para responder la pregunta central de bombas de calor y ciclos básicos.
2. Producir y comprobar la evidencia declarada por la clase: La clase anterior distinguió carga y capacidad. Esta desarrolla BC-CICLO-01 , un circuito termodinámico ficticio con cuatro estados y balances por componente. No se utiliza un refrigerante real, una tabla de presiones ni un procedimiento de carga.
3. Justificar una decisión de bombas de calor y ciclos básicos mediante fuentes, supuestos, alternativas y límites explícitos.

Actividad, evidencia y criterio de aceptación

Actividad: Un circuito ficticio usa ṁ = 0,030 kg/s, h₁ = 410, h₂ = 455 y h₃ = h₄ = 260 kJ/kg. Calcula trabajo, calor absorbido, calor entregado y ambos COP. Comprueba energía.

Evidencia mínima: La clase anterior distinguió carga y capacidad. Esta desarrolla BC-CICLO-01 , un circuito termodinámico ficticio con cuatro estados y balances por componente. No se utiliza un refrigerante real, una tabla de presiones ni un procedimiento de carga.

Archivo sugerido: evidence/ARQ-314/evidencia.md.

Criterio de aceptación: la entrega se acepta cuando:

• La entrega responde explícitamente a la pregunta: ¿Cómo puede una bomba de calor entregar más calor que la electricidad que consume sin crear energía, y qué necesita conocer la arquitectura además de su COP?
• La actividad conserva las fronteras del caso y permite reconstruir el procedimiento: Un circuito ficticio usa ṁ = 0,030 kg/s, h₁ = 410, h₂ = 455 y h₃ = h₄ = 260 kJ/kg. Calcula trabajo, calor absorbido, calor entregado y ambos COP. Comprueba energía.
• Cada afirmación externa puede seguirse hasta una fuente, su alcance consultado y su límite.
• La evidencia deja disponible una entrada comprobable para ARQ-315.
• Reconstruye los cuatro estados sin confundir entalpía con temperatura y explica por qué cambia el COP al ampliar la frontera. ARQ-315 estudiará cómo llevar el servicio hasta los recintos mediante aire y agua, conservando energía, caudales y condiciones de distribución.

La rúbrica común complementa estos criterios; no los reemplaza. Una entrega puede superar un promedio y continuar pendiente si oculta una condición crítica.

Trazabilidad de las decisiones

La tabla permite auditar las relaciones; la explicación, el caso y la práctica de la clase siguen siendo la documentación principal.

Autoevaluación, recuperación y continuidad

Errores diagnósticos

Antes de avanzar, comprueba si puedes reconstruir cada resultado sin mirar la solución, señalar qué evidencia lo sostiene y nombrar una condición que obligaría a revisar tu decisión. Conserva la primera versión, la objeción recibida y la revisión.

Conexión siguiente: La continuidad inmediata es ARQ-315 · Distribución por aire y por agua; conserva el método y vuelve a verificar datos y límites.

Fuentes y alcance de uso

Los casos, datos, diagramas y soluciones son elaboraciones originales. Las fuentes nuevas se consultaron el 23 de septiembre de 2026; las heredadas conservan su alcance. No se declara lectura integral cuando el acceso fue parcial ni se anuncian ensayos reales.

[ENE-COP] University Physics Volume 2, 4.3: Refrigerators and Heat Pumps

OpenStax / Rice University. https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/4-3-refrigerators-and-heat-pumps

Consulta: Sección sobre conservación de energía y coeficientes de desempeño. Apoyo: Distinguir transferencia de calor de generación de energía y calcular COP. Límite: Casos originales; no se copian ejemplos del libro ni se seleccionan equipos.

[HVAC-COILS] EnergyPlus 24.2 Engineering Reference: Coils

EnergyPlus / U.S. Department of Energy. https://bigladdersoftware.com/epx/docs/24-2/engineering-reference/coils.html

Consulta: Apartados DX Cooling Coil Model: separación sensible/latente, capacidad bruta, condiciones de entrada y funcionamiento parcial; también balance de serpentín. Apoyo: Relacionar capacidad, condiciones de ensayo y componentes sensible y latente; distinguir salida de batería y servicio de zona. Límite: Edición documental 24.2 elegida como referencia, no afirmada como versión actual. No se ejecutó EnergyPlus ni se reprodujo su modelo completo.