1TESIS-Ingrid-ChAívez-Carranza

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS 
 
LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA APLICADA 
 
 
TESIS 
 “MÉTODO DE PRUEBA DE UNA BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN 
DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR PARA CALENTAMIENTO DE 
AGUA SANITARIA” 
 
PARA OBTENER EL GRADO DE: 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA 
 
 
PRESENTA: 
ING. INGRID CHÁVEZ CARRANZA 
 
 
DIRECTOR DE TESIS: 
DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL 
 
 
MÉXICO, D.F. JULIO, 2016 
DEDICATORIA 
 
Dedico este trabajo a mis padres, Abigail y Elías. Por el amor y apoyo que me brindaron 
siempre. Por todo su esfuerzo, sacrificio y dedicación para proporcionarme las 
herramientas necesarias para seguir adelante, en todos los aspectos, a lo largo de mi vida. 
Mi amor y gratitud hacia ustedes es inmensurable. Este logro es también suyo. 
 
A mi hermana, Alethia, por ser la mejor compañera, mi mejor amiga, una excelente 
persona y un ejemplo a seguir. Te admiro y te quiero mucho. 
 
A mi abuelita, Ofelia. Por haber estado presente en todos mis pasos siempre, y ser parte 
fundamental en cada una de las metas alcanzadas. Te quiero y te extraño como el primer 
día. 
 
Pero sobre todo, dedico este trabajo a mi esposo, Franco. Por tu paciencia infinita y apoyo 
incondicional, por ser mi inspiración y motivación. Por nunca dejar de creer en mí y por 
tus palabras certeras en los momentos más difíciles. No lo hubiera logrado sin ti. Te amo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ii | P á g i n a 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Expreso mi profundo agradecimiento a las personas e instituciones que contribuyeron a la 
realización de este trabajo. Primeramente al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela 
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Zacatenco, por brindarme la 
oportunidad de ser parte de una institución de gran calidad educativa. 
 
A mis compañeros, amigos y personal del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica 
Aplicada y a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de ESIME Zacatenco. 
Especialmente agradezco a mi asesor de tesis, el Dr. Ignacio Carvajal Mariscal, por su 
dirección, enseñanzas y sobre todo por su paciencia. 
 
Agradezco a mis profesores y a los miembros del jurado por sus valiosas aportaciones, 
directas e indirectas, para este proyecto: 
Dr. Pedro Quinto Diez 
Dr. Florencio Sánchez Silva 
Dr. Alejandro Zacarías Santiago 
Dr. Juan Gabriel Barbosa Saldaña 
Dr. Miguel Toledo Velázquez 
M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava 
 
Finalmente agradezco infinitamente al Dr. Amancio Moreno Rodríguez, al M. en C Jorge 
Ernesto De León Ruíz y al Ing. Franco Omar Ramos Langer por su apreciable contribución, 
así como al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, por el apoyo económico 
proporcionado. 
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RESUMEN 
 
 
En este trabajo se propone un método de prueba para evaluar la eficiencia energética de 
una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP), operando 
bajo las condiciones ambientales de la Ciudad de México. La DXSAHP aplicada a la 
producción de agua caliente sanitaria (ACS) en el área residencial, es una tecnología en 
desarrollo que pretende contribuir a la promoción del uso de energías renovables sobre 
las no renovables, así como al aprovechamiento y crecimiento del sector solar en México. 
 
Debido a que no existe actualmente una norma que considere la asistencia solar para la 
evaluación del rendimiento de una bomba de calor y por lo tanto que pueda ser aplicado 
al tipo de bomba concerniente, se realizó una adaptación de las 6 etapas del método de 
prueba descrito en la Norma Europea UNE-EN 16147: 2011 para bombas de calor 
comercializadas en la Unión Europea. Por medio de diagramas de flujo, se desarrolló la 
propuesta de procedimiento de evaluación de la eficiencia energética de una DXSAHP 
para el calentamiento de agua. Además, empleando un modelo para simulación numérica 
se obtuvieron gráficas de los parámetros más importantes involucrados en la evaluación 
de la eficiencia térmica de una DXSAHP (radiación solar, velocidad del viento, temperatura 
ambiente, temperatura del agua, carga de agua y potencia eléctrica absorbida). Lo que 
proporcionó información relevante para modificar y adaptar el procedimiento de prueba 
propuesto. 
iv | P á g i n a 
 
 
Los cambios más importantes que contempla el procedimiento propuesto en este trabajo 
son la consideración de las condiciones ambientales, como la radiación solar, que no es un 
parámetro contemplado hasta el momento en ningún método de prueba oficial, sin 
embargo representa un aumento importante en la eficiencia del sistema, de casi el doble 
del valor obtenido en el COP. Mientras que la velocidad del viento influyó de diferente 
forma, significando una pérdida o una ganancia de calor para el sistema, dadas las 
condiciones de temperatura en la superficie del colector-evaporador con relación a la 
temperatura ambiente, no constituyó diferencias significativas en el desempeño del 
mismo. Es por lo anterior que como resultado del análisis realizado en conjunto con el 
estudio de las normas existentes, se obtuvo un método de prueba preliminar, que 
pretende sentar las bases para la creación posterior de una norma que uniforme el 
funcionamiento de estos sistemas en México. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ABSTRACT 
 
In this work, a testing method is proposed to evaluate the energy efficiency of a direct 
expansion solar-assisted heat pump water heater (DXSAHP-WH) operating under the 
environmental conditions of Mexico City. The DXSAHP-WH is an emerging technology 
which aims to promote the renewable energy use over the fossil fuels, as well as 
contribute to the evolution of the solar sector in Mexico. 
 
Due to the lack of regulations for the performance evaluation of a solar assisted heat 
pump, an adjustment of the 6 stages of the testing method described in the European 
Standard, UNE-EN 16147:2011 for commercialized heat pumps in the EU, was conducted. 
Through flowcharts, it was developed the proposed procedure for the energy efficiency 
evaluation of a DXSAHP-WH, exposed in this paper. In addition, using a numerical 
simulation model that describes the behavior of a DXSAHP-WH, charts of the major 
parameters involved in the thermal efficiency evaluation of this kind of systems (solar 
radiation, wind speed, ambient temperature, water temperature, water load and 
electrical power consumption) were obtained. Which provided relevant information to 
modify and adapt the proposed testing procedure. 
 
The most important changes included in the proposed procedure in this work are the 
consideration of the environmental conditions, such as the solar radiation, which has 
never been a discussed parameter in any official testing method, however it represents a 
significant increase in efficiency of the system, almost twice the value obtained in the 
COP. While other parameters considered relevant at first, as the wind speed did not 
significantly influence the performance of the DXSAHP. Due this, as a result of analysis of 
the evaluated parameters (solar radiation, humidity, wind speed and ambient 
temperature) in conjunction with the study of existing standards, was possible to establish 
an initial methodology to evaluate a DXSAHP. 
 
 
CONTENIDO 
DEDICATORIA ....................................................................................................................................... i 
AGRADECIMIENTOS............................................................................................................................. ii 
RESUMEN ............................................................................................................................................iiiABSTRACT ............................................................................................................................................ v 
LISTA DE FIGURAS................................................................................................................................ ix 
LISTA DE TABLAS.................................................................................................................................. xi 
NOMENCLATURA ............................................................................................................................... xii 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. xiv 
 
Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA ..................... 2 
1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA .............................................................................. 2 
1.1.1 CALENTADORES SOLARES....................................................................................................... 5 
1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO ...................................................................................................... 7 
1.1.1.2 NORMAS VIGENTES ................................................................................................... 11 
1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad de 
colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y etiquetado ................ 11 
1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas solares 
para calentamiento de agua. Método de prueba ..................................................................... 12 
1.1.2 CALENTADORES DE GAS ................................................................................................ 12 
1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO .................................................................................................... 14 
1.1.2.2 NORMAS VIGENTES ....................................................................................................... 15 
1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso 
doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado ........................................... 16 
1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que 
utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad, especificaciones, 
métodos de prueba, marcado e información comercial (Cancela a la NOM-020-SEDG-2003) 16 
1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS ......................................................................................... 17 
1.1.4 BOMBAS DE CALOR ....................................................................................................... 17 
 
 
Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR ......................................................................................................... 20 
2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR .................................................................................. 20 
2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES ............................................................................. 21 
2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR ...................................................................... 26 
2.4 FUNCIONAMIENTO ............................................................................................................ 30 
2.5 BOMBA DE CALOR DE EXPANSIÓN DIRECTA ASISTIDA POR ENERGÍA SOLAR (DXSAHP) .. 33 
2.6 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 35 
 
Capítulo 3. DESARROLLO DEL MÉTODO DE PRUEBA ......................................................................... 44 
3.1 DESCRIPCIÓN DE LA DXSAHP ............................................................................................. 44 
3.2 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN DE LA DXSAHP ........................................................... 47 
3.2.1 REQUISITOS GENERALES DE PRUEBA (EN 16147:2011) ................................................ 48 
3.2.2 MÉTODO DE PRUEBA (EN 16147:2011) ........................................................................ 50 
3.2.2.1 ETAPA DE PRUEBA A: PERIODO DE CALENTAMIENTO .............................................. 51 
3.2.2.2 ETAPA DE PRUEBA B: DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÉGIMEN 
ESTABLE 54 
3.2.2.3 ETAPA DE PRUEBA C: DETERMINACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO Y DEL 
COEFICIENTE DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA EL CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA 
MEDIANTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÓN DE REFERENCIA ....................................... 54 
3.2.2.4 ETAPA DE PRUEBA D: DETERMINACIÓN DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA DEL 
AGUA CALIENTE Y DEL VOLUMEN MÁXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE EN CADA 
EXTRACCIÓN .............................................................................................................................. 59 
3.2.2.5 ETAPA DE PRUEBA E: ENSAYO PARA DETERMINAR EL RANGO DE LAS 
TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................... 61 
3.2.2.6 ETAPA DE PRUEBA F: ENSAYOS DE SEGURIDAD ........................................................ 64 
3.2.2.6.1 BLOQUEO DE LOS CAUDALES DE LOS MEDIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR........ 66 
3.2.2.6.2 FALLO COMPLETO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN .............................................. 66 
3.3 METODOLOGÍA SIMPLIFICADA .......................................................................................... 67 
 
 
 
 
Capítulo 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................................................................. 75 
4.1 INFLUENCIA DE LOS PARÀMETROS EVALUADOS EN EL COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE 
LA DXSAHP ..................................................................................................................................... 75 
4.1.1 HUMEDAD ..................................................................................................................... 76 
4.1.2 VELOCIDAD DEL VIENTO ................................................................................................ 77 
4.1.3 VOLUMEN DE AGUA ...................................................................................................... 79 
4.1.4 RADIACIÓN SOLAR ......................................................................................................... 81 
4.1.5 TEMPERATURA AMBIENTE, TEMPERATURA DEL AGUA CALIENTE Y CONSUMO TOTAL 
DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................................................................. 84 
4.2 COEFICIENTE DE DESEMPEÑO ........................................................................................... 85 
4.3 PROPUESTA FINAL DE METODOLOGÌA DE EVALUACIÒN DE LA EFICIENCIA TÈRMICA ..... 87 
4.3.1 ETAPA 1: PERIODO DE CALENTAMIENTO ...................................................................... 89 
4.3.2 ETAPA 2: OBTENCIÒN DE LA POTENCIA ABSORBIDA EN RÈGIMEN ESTABLE ............... 92 
4.3.3 ETAPA 3: DETERMINACIÒN DEL CONSUMO ENERGÈTICO Y EL COEFICIENTE DE 
DESEMPEÑO MEDIENTE EL USO DE LOS CICLOS DE EXTRACCIÒN ................................................ 95 
4.3.4 ETAPA 4: DETERMINACION DE UNA TEMPERATURA DE REFERENCIA Y VOLÙMEN 
MÀXIMO UTILIZABLE DE AGUA CALIENTE................................................................................... 103 
4.3.5 ETAPA 5: RANGO DE TEMPERATURAS DE FUNCIONAMIENTO ................................... 106 
 
CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 115 
RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 117 
REFERENCIAS ...................................................................................................................................118 
 
APÈNDICE 1. REQUISITOS GENERALES DE ENSAYO DE LA NORMA EUROPEA EN16147:2011 ....... 125 
APÉNDICE 2. TABLAS EMPLEADAS EN METODOLOGÍA DE PRUEBA PARA LA EVALUACIÓN DEL 
CONSUMO ENERGÉTICO DE LA NORMA EUROPEA EN 16147:2011 ............................................... 128 
APÉNDICE 3. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL ............................................... 136 
 
ANEXO 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ETAPAS DE PRUEBA DE LA NORMA EUROPEA EN-16147:2011
 ......................................................................................................................................................... 146 
ANEXO 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE REQUERIMIENTOS GENERALES DE PRUEBA PARA LA DXSAHP
 ......................................................................................................................................................... 175 
 
ix | P á g i n a 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891 ..................... 5 
Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909 ...................... 6 
Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo ........................................................... 7 
Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta .......................................... 8 
Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN) .......................................................................... 9 
Figura 6 Estructura de un tubo evacuado ........................................................................................... 9 
Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY) ................................................................ 10 
Figura 8 Concentrador parabólico..................................................................................................... 10 
Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico ............................................................. 13 
Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo ................................. 15 
Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico ........................................................... 17 
Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor ............................................................................... 20 
Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34 23 
Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma 
ANSI/ASHRAE 34 ............................................................................................................................... 24 
Figura 15 Diagrama de una bomba de calor reversible .................................................................... 31 
Figura 16 Diagrama p-h del ciclo ideal de una bomba de calor ........................................................ 32 
Figura 17 Diagrama T-s del ciclo ideal de una bomba de calor ......................................................... 33 
Figura 18 Componentes principales de una DXSAHP ........................................................................ 35 
Figura 19 Diagrama esquemático de la DXSAHP del LABINTHAP ..................................................... 45 
Figura 20 Etapas y orden de los ensayos establecidos en la Norma Europea EN16147:2011 .......... 50 
Figura 21 Ilustración de un ensayo de ciclo de extracción posible (Norma Europea EN16147:2011)
 ........................................................................................................................................................... 56 
Figura 22 Diagrama de flujo de la metodología simplificada de prueba .......................................... 72 
Figura 23 Humedad relativa a lo largo del día en la Cd. de México .................................................. 77 
Figura 24 Gráfica de Tiempo de trabajo del compresor contra Velocidad del viento ...................... 78 
Figura 25 Gráfica de Flujo de calor cedido contra Temperatura de agua caliente ........................... 80 
Figura 26 Gráfica de COP contra Temperatura de agua caliente ...................................................... 83 
Figura 27 Gráfica de Trabajo de compresión contra Temperatura de agua caliente ....................... 85 
Figura 28 Gráfica de Coeficiente de desempeño contra Temperatura de agua caliente ................. 87 
Figura 29 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 1 para la DXSAHP ................................ 91 
Figura 30 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 2 para la DXSAHP ................................ 94 
Figura 31 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 3 para la DXSAHP .............................. 102 
Figura 32 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa 4 para la DXSAHP .............................. 105 
Figura 33 Diagrama de flujo del procedimiento general de la etapa 5 para la DXSAHP ................. 108 
Figura 34 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 
para la DXSAHP ................................................................................................................................ 111 
Figura 35 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa 5 
para la DXSAHP ................................................................................................................................ 114 
x | P á g i n a 
 
Figura 36 Colector-evaporador de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 136 
Figura 37 Compresor Danfoss, modelo MTZ18JAVE de la DXSAHP del LABINTHAP ....................... 136 
Figura 38 Condensador de placas Alfa-Laval, modelo ACH-30EQ-10H-F, de la DXSAHP del 
LABINTHAP ...................................................................................................................................... 137 
Figura 39 Filtro deshidratador Emerson, modelo TD-033, de la DXSAHP del LABINTHAP ............. 138 
Figura 40 Acumulador de succión Parker, modelo VA-31-4S, de la DXSAHP del LABINTHAP ....... 139 
Figura 41 Válvula reguladora de presión de cárter Danfoss, modelo KVL de la DXSAHP del 
LABINTHAP ...................................................................................................................................... 140 
Figura 42 Válvula reguladora de presión de evaporación Sporlan, modelo ORIT-6-30/100 de la 
DXSAHP del LABINTHAP .................................................................................................................. 140 
Figura 43 Presostato Alco, de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................. 141 
Figura 44 Separador de aceite de la DXSAHP del LABINTHAP ....................................................... 143 
Figura 45 Mirilla de la DXSAHP del LABINTHAP .............................................................................. 144 
Figura 46 Tanque recibidor Emerson, modelo TR-100, de la DXSAHP del LABINTHAP.................. 145 
Figura 47 Diagrama de flujo del procedimiento de Requisitos generales de la norma europea 
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 150 
Figura 48 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa A de la Norma Europea EN16147:2011
 ......................................................................................................................................................... 151 
Figura 49 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa B de la Norma Europea EN16147:2011
 ......................................................................................................................................................... 153 
Figura 50 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa C de la Norma Europea EN16147:2011
 .........................................................................................................................................................158 
Figura 51 Diagrama de flujo del procedimiento de la etapa D de la Norma Europea EN16147:2011
 ......................................................................................................................................................... 161 
Figura 52 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa E de la Norma Europea 
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 163 
Figura 53 Diagrama de flujo del 1er periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de 
la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 166 
Figura 54 Diagrama de flujo del 2do periodo de calentamiento del procedimiento de la etapa E de 
la Norma Europea EN16147:2011 ................................................................................................... 169 
Figura 55 Diagrama de flujo general del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea 
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 170 
Figura 56 Diagrama de flujo del fallo 1 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea 
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 172 
Figura 57 Diagrama de flujo del fallo 2 del procedimiento de la etapa F de la Norma Europea 
EN16147:2011 ................................................................................................................................. 174 
 
 
 
xi | P á g i n a 
 
LISTA DE TABLAS 
 
Tabla 1 Normas extranjeras aplicables a bombas de calor ............................................................... 40 
Tabla 2 Etapa de prueba A de la Norma Europea EN 16147:2011.................................................... 52 
Tabla 3 Etapa de prueba B de la Norma Europea EN16147:2011..................................................... 53 
Tabla 4 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 1/2) .................................. 57 
Tabla 5 Etapa de prueba C de la Norma Europea EN16147:2011 (Parte 2/2) .................................. 58 
Tabla 6 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 60 
Tabla 7 Etapa de prueba D de la Norma Europea EN16147:2011 .................................................... 62 
Tabla 8 Etapa de prueba F de la Norma Europea EN16147:2011 ..................................................... 65 
Tabla 9 Incertidumbres de medición para los valores indicados .................................................... 125 
Tabla 10 Desviaciones permitidas respecto a los valores de referencia......................................... 126 
Tabla 11 Requisitos de presión para bombas de calor aire-agua ................................................... 126 
Tabla 12 Condiciones de ensayo aplicables a todos los sistemas ................................................... 127 
Tabla 13 Condiciones de ensayo aplicables a tipos de sistemas particulares ................................. 127 
Tabla 14 Caudales de extracción ..................................................................................................... 128 
Tabla 15 Ciclo de extracción S ......................................................................................................... 129 
Tabla 16 Ciclo de extracción M ....................................................................................................... 130 
Tabla 17 Ciclo de extracción L ......................................................................................................... 131 
Tabla 18 Ciclo de extracción XL ....................................................................................................... 132 
Tabla 19 Ciclo de extracción XXL ..................................................................................................... 133 
Tabla 20 Condiciones de funcionamiento ....................................................................................... 134 
Tabla 21 Cálculo de la humedad relativa para el ensayo de rango de operaciones ....................... 134 
Tabla 22 Presentación de los resultados principales ...................................................................... 134 
Tabla 23 Información a registrar y calcular ..................................................................................... 135 
xii | P á g i n a 
 
NOMENCLATURA 
 
SÍMBOLO DEFINICIÓN UNIDADES 
𝒄𝒑 Calor específico del agua kJ/kg K 
�̇�𝑻𝒂𝒑 Caudal volumétrico del agua durante la extracción m
3/s 
�̇�𝒂𝒊𝒓 Caudal volumétrico del aire nominal m
3/s 
�̇�𝑭𝒍𝒖𝒊𝒅 Caudal volumétrico del líquido medido m
3/s 
𝑪𝑶𝑷 Coeficiente de desempeño -- 
𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética para el ciclo de extracción 
𝑼𝒆 Coeficiente global de transferencia de calor W/m
2K 
𝑾𝒄𝒉 Consumo de energía durante el periodo de calentamiento kWh 
𝑾𝑬𝑳−𝑪𝒐𝒓𝒓 Consumo de energía eléctrica en ventiladores o bombas de líquido kWh 
𝑾𝑬𝑳−𝑴−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica medida durante el ciclo de extracción 
completo 
kWh 
𝑾𝑬𝑳−𝑯𝑷−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total de la bomba de calor durante el 
ciclo de extracción completo 
kWh 
𝑾𝑬𝑳−𝑻𝑪 Consumo de energía eléctrica total durante un ciclo de extracción kWh 
𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Consumo total diario de energía eléctrica J 
𝝆 Densidad kg/m3 
𝝆(𝑻) Densidad del agua caliente en función de su temperatura kg/m3 
∆𝑻𝒅𝒆𝒔𝒊𝒓𝒆𝒅 Diferencia de temperatura entre la temperatura del agua caliente y la 
temperatura del agua fría 
K 
𝒕𝒆𝒔 Duración de un ciclo de arranque/parada de la bomba de calor para 
determinar la potencia absorbida en régimen estable 
s 
𝒕𝑻𝑻𝑪 Duración de un ciclo de extracción en horas h 
𝒕𝑻𝑨𝑷 Duración de una extracción s 
𝑬𝑬 Eficiencia energética -- 
𝑾𝒆𝒔 Energía absorbida durante el último ciclo de arranque/parada para 
determinar la potencia absorbida en régimen estale 
kWh 
𝑸𝑬𝑳−𝑻𝑪 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción 
durante todo el ciclo de extracción 
kWh 
𝑸𝑬𝑳−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica calculada producida por una resistencia de calefacción 
para alcanzar la temperatura de extracción requerida 
kWh 
𝑸𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil durante una extracción kWh 
𝑸𝑯𝑷−𝑻𝒂𝒑 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante 
una extracción 
kWh 
𝑸𝑯𝑷−𝑻𝑪 Energía calorífica útil producida mediante una bomba de calor durante 
todo el ciclo de extracción 
kWh 
𝑸𝑻𝑪 Energía calorífica útil total durante todo un ciclo de extracción kWh 
𝑸𝒓𝒔 Energía térmica absorbida con asistencia solar kWh 
𝑸𝒄𝒐𝒏 Energía térmica absorbida por conducción kWh 
xiii | P á g i n a 
 
𝑸𝒓𝒂𝒅 Energía térmica absorbida por radiación kWh 
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 Energía térmica correspondiente a pérdidas de calor en el sistema kWh 
𝒉 Entalpía kJ/kg 
�̇�𝒄𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐 Flujo de calor cedido por el condensador kW 
𝒊 Índice de extracción -- 
𝑰𝒔 Irradiancia instantánea sobre plano horizontal W/m
2 
𝑰𝒂𝒗𝒆 Irradiancia promedio diaria sobre plano horizontal W/m
2 
𝑴 Masa total del agua dentro del tanque de almacenamiento kg 
𝒏𝑻𝑨𝑷 Número de extracciones durante un ciclo de extracción - 
𝑹𝒊𝒉 Parámetro de simetría de radiación solar -- 
𝑷𝒆𝒔 Potencia absorbida en régimen estable kW 
𝑸𝒂 Potencia cedida a la región de alta temperatura kW 
𝑾 Potencia eléctrica absorbida kW 
𝑸𝒃 Potencia térmica obtenida de la región de baja temperatura kW 
𝒑 Presión kPa 
𝑯𝒕 Radiación solar diaria Wh/m
2 
𝑻 Temperatura ° C 
𝑻𝒂 Temperatura ambiente ° C 
𝑻𝒂,𝒂𝒗𝒆 Temperatura ambiente promedio ° C 
𝑻𝑾 Temperatura de agua caliente dentro del tanque de almacenamiento ° C 
𝑻𝑾𝒊 Temperaturade agua de inicio ° C 
𝑻𝑾𝒇 Temperatura de agua de salida ° C 
𝜽´𝑾𝑯 Temperatura de referencia del agua caliente ° C 
𝜽𝑾𝑯 Temperatura del agua caliente ° C 
𝜽𝑾𝑪 Temperatura del agua fría ° C 
𝑻𝒎𝒂𝒙𝒇𝒄 Temperatura máxima de la fuente de calor ° C 
𝑻𝒎𝒊𝒏𝒇𝒄 Temperatura mínima de la fuente de calor ° C 
𝒕 Tiempo s 
𝒕𝒉 Tiempo de calentamiento s 
𝒕𝒔 Tiempo de muestreo s 
∆𝒕 Tiempo de trabajo del compresor s 
𝒕𝟒𝟎 Tiempo entre el comienzo de la extracción y el momento en que 
𝜃𝑊𝐻 (t) es inferior a 40°C 
s 
𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑 Trabajo de compresión kW 
𝑼𝒂𝒊𝒓𝒆 Velocidad del viento m/s 
𝑽𝒂𝒈𝒖𝒂 Volumen de agua dentro del tanque de almacenamiento m
3 
𝑽𝒎𝒂𝒙 Volumen máximo de agua caliente utilizable m
3 
𝑪𝑶𝑷𝑫𝑯𝑾 Coeficiente de eficiencia energética -- 
 
xiv | P á g i n a 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El calentamiento de agua para uso doméstico es una actividad de suma importancia en la 
vida cotidiana. El gasto económico que se deriva del uso de un calentador de agua 
constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia promedio en México, 
porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más grande en el hogar (CONUEE, 2013). 
Actualmente las tecnologías más populares, en la Ciudad de México, para dicho fin son los 
calentadores eléctricos, los colectores solares, los llamados calentadores híbridos: 
calentadores solares que integran a su sistema un calentador de gas como calentador de 
apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de 
agua caliente, y los calentadores de gas, siendo éstos últimos los más empleados. 
 
Sin embargo es necesario mencionar que cada una de estas tecnologías cuenta con 
grandes desventajas económicas y/o ambientales a pesar de las mejoras que se han 
alcanzado hasta ahora. 
 
En relación a los calentadores solares, los inconvenientes de su uso son: su dependencia 
total a la radiación solar, su costo inicial, que es superior al doble del costo de los 
calentadores de gas o los eléctricos (INECC, 2009) y el requerimiento de grandes espacios 
para su colocación, sin contar que no existe una norma oficial que regule el 
comportamiento de los mismos, y por lo tanto que nos garanticen un funcionamiento 
adecuado y seguro. 
 
Para el caso de los calentadores de gas existe un impacto ambiental significativo originado 
por los mismos, debido a su elevada producción de Gases de Efecto Invernadero (GEI), la 
cual contribuye a la disminución en la calidad del aire y por ende a una contaminación 
atmosférica causante de infecciones respiratorias y enfermedades cardiopulmonares. 
Hecho que deriva en un costo considerable para el país, ya que, de acuerdo con el INEGI, 
xv | P á g i n a 
 
en el 2009 los mayores costos ambientales, equivalentes al 4.4% del producto interno 
bruto (INEGI, 2011), fueron producidos por la contaminación atmosférica. Los GEI también 
producen una degradación importante en la capa de ozono fortaleciendo al cambio 
climático (IPCC, 2007), siendo el Valle de México la zona afectada del país más conocida 
(SEMARNAT, 2008). 
 
De igual forma, el alto consumo de gas que demanda este tipo de calentador durante su 
operación implica un gasto monetario apreciable, y al ser la tecnología para calentamiento 
de agua más empleada en la Ciudad de México, sus efectos negativos se magnifican. 
 
Los calentadores eléctricos, al igual que los calentadores de gas, generan un impacto 
económico sustancial en consecuencia al elevado consumo de energía eléctrica que 
requieren. Estos calentadores obtienen de una o varias resistencias eléctricas el calor 
necesario para calentar el agua, lo que deriva en un gasto irracional de energía al 
transformar energía de alta calidad (eléctrica) en calor, en elementos de muy baja 
eficiencia energética, como lo son las resistencias eléctricas. 
 
Debido a lo anterior, la introducción al mercado de tecnologías alternativas para el 
calentamiento de agua sanitaria que cuenten con una mayor eficiencia energética, que 
generen un menor impacto ambiental, y que nos proporcionen una relación 
costo/beneficio satisfactoria, se hace imperativa. 
 
Con el desarrollo de una tecnología nueva para el calentamiento de agua sanitaria surge la 
necesidad de crear normas que reglamenten el funcionamiento de las mismas, así como 
procedimientos de evaluación y requisitos de seguridad, que, de esta forma, garanticen un 
adecuado desempeño de dicho equipo. 
xvi | P á g i n a 
 
El objetivo de ésta investigación es el de desarrollar un procedimiento de evaluación de la 
eficiencia energética de una bomba de calor de expansión directa asistida por energía 
solar, de ahora en adelante DXSAHP, aplicada al calentamiento de agua sanitaria en el 
sector doméstico para la Ciudad de México. 
 
La justificación de dicho proyecto radica en las desventajas que presentan las tecnologías 
convencionales para el calentamiento de agua y a la necesidad constante de reducir 
gastos, tanto económicos como de recursos naturales, la introducción al mercado de la 
DXSAHP es una opción. 
 
Ya que no se cuenta con normas que regulen el desempeño de una tecnología en 
desarrollo, como lo es la DXSAHP, es necesario crear o adecuar procedimientos para la 
evaluación del funcionamiento energético de la misma que tomen en cuenta las 
condiciones ambientales de nuestro país y la respalden como una tecnología sostenible. 
 
Este trabajo se constituye de 4 capítulos. En el primer capítulo se describe el proceso de 
producción de agua caliente sanitaria, sus etapas así como algunas de las tecnologías más 
empleadas para dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas que 
regulan la operación de los equipos más comunes para el calentamiento de agua en el 
sector doméstico en México también son explorados dentro del capítulo 1, además de una 
introducción a las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines 
residenciales. 
 
El segundo capítulo explora el principio de funcionamiento de las bombas de calor, sus 
características y componentes principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en 
el tipo de bomba de calor que es el objeto de estudio de este trabajo, la bomba de calor 
de expansión directa asistida por energía solar. Además a lo anterior, en el capítulo 2 se 
xvii | P á g i n a 
 
expone la situación actual del tipo de bomba pertinente, en cuanto al desarrollo, 
normalización y métodos de prueba, a través del estado del arte. 
 
El tercer capítulo está conformado por la descripción de una instalación experimental 
correspondiente a una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar 
para el calentamiento de agua. Se describen los componentes de dicho sistema, que 
ejemplifica el equipo hacia el cual va dirigido el método de prueba desarrollado en este 
trabajo. De igual forma se desarrolla, mediante diagramas de flujo, el procedimiento de 
prueba basado en la Norma Europea 16147:2011 “Bombas de calor con compresor 
accionado eléctricamente. Ensayos y requisitos para el marcado de equipos para agua 
caliente sanitaria”, puntualizando las modificaciones necesarias para su aplicación en 
sistemas de bombas de calor asistidas por energía solar. Adicional a lo anterior se expone 
una metodología simplificada para la evaluación de la eficiencia térmica de una DXSAHP. 
 
Dentro del cuarto capítulo se presentan los parámetros que influyen en el desempeño de 
una DXSAHP, y que por lo mismo, se consideran necesarios para evaluar la eficiencia de 
este tipo de sistemas. Empleando el modelo de simulación numérica desarrollado por el 
M.C Jorge Ernesto De León Ruíz en su trabajo de tesis Modelo matemático y diseño de 
una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar para calentamiento de 
agua, se obtuvieron las gráficas que representan el comportamiento de estos sistemas 
bajo las condiciones ambientalesde la Ciudad de México. 
 
Dichas gráficas son analizadas para exponer la influencia que supone cada uno de los 
diferentes parámetros evaluados, en la eficiencia de este tipo de equipos. Finalmente se 
presentan las conclusiones generales obtenidas del trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
 
 
TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL 
CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA 
 
En este capítulo se describe el proceso de calentamiento de agua 
con fines domésticos, o producción de agua caliente sanitaria (ACS), 
sus etapas así como algunas de las tecnologías más empleadas para 
dicho procedimiento. Los principios de funcionamiento y normas 
que regulan la operación de los equipos más comunes para el 
calentamiento de agua en el sector doméstico en México también 
son explorados dentro del capítulo 1, además de una introducción a 
las bombas de calor aplicadas a la producción de ACS con fines 
residenciales. 
 
2 | P á g i n a 
 
Capítulo 1. TEORÍA DE LOS EQUIPOS PARA EL CALENTAMIENTO DE 
AGUA SANITARIA 
 
1.1 CALENTAMIENTO DE AGUA SANITARIA 
 
El calentamiento de agua para uso doméstico, también conocido como producción de 
agua caliente sanitaria (ACS por sus siglas en español), es una actividad sumamente 
importante en la vida cotidiana de cualquier persona y representa uno de los mayores 
consumos energéticos en todo el mundo. 
 
En lo referente al sector residencial en México, la producción de ACS significa el 29% del 
consumo de energía total (Ibrahim, O. et al, 2013) y el gasto económico que se deriva del 
uso de un calentador de agua constituye casi el 13 % del total de los gastos de una familia 
mexicana promedio, porcentaje que lo posiciona como el tercer gasto más importante en 
el hogar (CONUEE, 2013). 
 
Para el calentamiento de agua nos valemos de un calentador de agua que es un equipo o 
dispositivo encargado de elevar la temperatura del agua mediante un aporte de energía, 
cuyo objetivo es proveer de agua caliente a todos los puntos de la instalación que la 
requieran. 
 
De acuerdo a la forma de producción del agua caliente, podemos identificar dos tipos de 
instalaciones: instantánea y con acumulación. 
 
En la instalación de producción instantánea de ACS, el diseño de los intercambiadores está 
determinado por el momento de máxima demanda de la instalación, es decir, el circuito 
primario calienta al agua de consumo al mismo tiempo que se requiere y, como 
consecuencia, es necesario el uso de bombas de circulación, para hacer fluir el agua hacia 
los intercambiadores. 
 
3 | P á g i n a 
 
Para el caso de la instalación de producción con acumulación, el sistema mantiene una 
reserva de agua caliente hasta el momento de su uso, lo cual reduce la potencia necesaria 
en producción. 
 
El sistema de servicio de ACS está conformado por los siguientes elementos: fuente de 
energía calorífica, equipo de transferencia de calor, sistema de distribución de agua y 
dispositivos de uso de agua caliente (ASHRAE handbook: HVAC Applications, 1999). 
 
Existen varias fuentes de energía de donde es obtenido el calor para calentar agua, como 
la quema de combustibles fósiles, energía eléctrica, energía solar, entre otros. 
 
El equipo de transferencia de calor puede ser de dos tipos: directo e indirecto; los tanques 
de almacenamiento pueden estar asociados con cualquier tipo de equipo de transferencia 
de calor, o ser parte de ellos. 
 
Para los equipos de tipo directo, el calor es obtenido de la quema de algún combustible, o 
de una conversión directa de energía eléctrica a calorífica realizada dentro del mismo 
equipo de transferencia de calor. 
 
En cuanto a los equipos de transferencia de calor indirecta, la energía calorífica es 
obtenida de fuentes de calor remotas, como boiler, captación de energía solar, 
cogeneración, refrigeración o calor residual, y transferida al agua valiéndose de un equipo 
de transferencia de calor adicional. 
 
Los sistemas de distribución se encargan de transportar el agua caliente del equipo de 
calentamiento a los equipos de consumo de agua caliente, que son accesorios de plomería 
y equipos que requieren un flujo de agua caliente, ya sea constante o irregular, cuyo 
4 | P á g i n a 
 
consumo de agua se encuentra relacionado con el inmueble en el que se encuentran, las 
aplicaciones de proceso, y las preferencias del usuario. 
 
Para lugares que requieren de un suministro constante de agua a una temperatura 
deseada, es importante considerar tubería de circulación o un dispositivo de ayude a 
mantener el calor. 
 
Los diferentes tipos y diseños de calentadores de agua se basan en la fuente de energía, la 
aplicación de la energía para el calentamiento de agua y el método de control utilizado 
para distribuir el agua caliente necesaria a la temperatura requerida bajo condiciones de 
demanda variables. 
 
La aplicación de un dispositivo de calentamiento de agua al diseño del sistema completo 
de producción de ACS se basa en la ubicación del equipo con respecto al sistema, la 
temperatura requerida del agua caliente y la cantidad de agua a utilizar. 
 
Existen varias tecnologías para el calentamiento de agua sanitaria que se distinguen entre 
sí por el combustible o fuente de energía que explotan. Actualmente en México, los 
calentadores de agua más empleados son aquellos que utilizan gas L.P. o gas natural como 
combustible, no obstante se están desarrollando y promoviendo nuevos sistemas de 
calentamiento de agua sanitaria, con la finalidad de minimizar el gasto de combustibles 
fósiles y reducir así el impacto ambiental derivado del mismo; entre estos podemos 
mencionar a las bombas de calor, los colectores solares y los llamados calentadores 
híbridos: colectores solares que integran a su sistema un calentador de gas como equipo 
de apoyo en caso de que la radiación solar no sea suficiente para satisfacer la demanda de 
agua caliente. 
 
5 | P á g i n a 
 
1.1.1 CALENTADORES SOLARES 
 
Un calentador solar es aquel equipo que obtiene de la energía solar, la energía que 
requiere para elevar la temperatura del agua y producir ACS. Este tipo de sistema está 
formado por un colector solar, y un tanque de almacenamiento del agua caliente. 
 
El primer calentador solar comercial fue el llamado “Clímax”, patentado por Clarence M. 
Kemp en 1891. Estaba formado por cuatro tanques tubulares de metal aislados entre sí 
por separadores de cartón, colocados dentro de una caja de madera de pino cubierta por 
una tapa de vidrio Figura 1 (California Solar Center, 2015) 
 
Sin embargo fue hasta 1909 que surgió un calentador solar capaz de almacenar el agua 
caliente y no sólo producirla. William Bailey creó un calentador en el cual empleaba tubos 
estrechos para almacenar el agua, en lugar de un tanque grande, lo que le permitía al 
agua conservar su calor por más tiempo. El calentador de Bailey, mostrado en la Figura 2, 
contenía todos los elementos que son utilizados en las instalaciones actuales: un colector 
solar de placa plana con un panel de absorción y un tanque de almacenamiento de agua 
colocado a una altura superior que la del colector (Frid, S. E. et al, 2012). 
 
 
Figura 1 Anuncio publicitario del primer calentador de agua solar comercial en 1891 
6 | P á g i n a 
 
 
Figura 2 Dibujo de la patente del primer calentador solar de agua de Bailey en 1909 
 
 
Los calentadores solares de agua pueden ser clasificados en dos categorías: activos y 
pasivos. En los sistemas activos, se utiliza un sistema mecánico para hacer circular el fluido 
de trabajo, mientras que los sistemas pasivos utilizan gradientes de densidad. 
 
Los sistemas activos pueden ser directos o indirectos. Se dice que son directos, o de lazo 
abierto, cuando el fluido de trabajo que se hace circular a través de los colectores solares, 
empleando una bomba, es el agua que se requiere calentar. Se llaman indirectos o de lazo 
cerrado cuando el fluido detrabajo es un refrigerante que se bombea hacia los colectores 
para absorber el calor que será transferido al agua mediante un intercambiador de calor. 
Los sistemas pasivos se dividen a su vez en dos: almacenadores con colector integrado y 
sistemas de termosifón. 
 
Los almacenadores con colector integrado son sistemas que cuentan con un tanque que 
desempeña tanto la función de colector solar, como el de almacenamiento de ACS, 
mientras que en los sistemas de termosifón, el tanque almacenador y el colector solar son 
dos unidades separadas físicamente, a través de las cuales la transferencia de calor se da 
por convección natural y pueden ser también directos o indirectos. 
7 | P á g i n a 
 
1.1.1.1 FUNCIONAMIENTO 
 
El colector es el componente principal en los calentadores solares, ya que es el dispositivo 
encargado de absorber la energía proveniente de la radiación solar que incide sobre su 
superficie, convirtiéndola en energía térmica que transfiere por contacto, ya sea 
directamente al agua (sistema directo), o a un fluido de trabajo, el cual a su vez transfiere 
el calor ganado hacia el agua sanitaria para incrementar su temperatura (sistema 
indirecto). 
 
En un sistema directo o de lazo abierto, el agua fría ingresa al colector, para 
posteriormente aumentar su temperatura debido al aporte de calor que le es 
suministrado. El agua ya caliente tiende a subir debido a las fuerzas de flotación por los 
gradientes de densidad, y se dirige al depósito de almacenamiento que siempre es 
colocado por encima del colector, para recolectar el agua caliente producida (Figura 3). 
 
Un colector solar debe ser instalado de acuerdo a la zona geográfica en la que se 
encuentra, con una orientación y ángulo de inclinación específicos para optimizar la 
captación de radiación solar. Debe estar orientado con su eje longitudinal en dirección 
este-oeste, y su inclinación depende de la latitud de la instalación (Dalpasquale, V. A. et al, 
1991). 
 
 
Figura 3 Diagrama de un calentador solar de sistema directo 
8 | P á g i n a 
 
En una instalación realizada en la Ciudad de México, que se encuentra en el hemisferio 
norte y con una latitud de 19° 24´N (INEGI, 1991), el colector solar deberá ser posicionado 
con vista hacia el sur y con un ángulo de inclinación de 19° aproximadamente. 
 
Existen varios tipos de colectores solares: 
 Colectores de placa plana: con cubierta o sin cubierta. 
 Colectores de tubos evacuados 
 Concentradores parabólicos 
 
Los colectores de placa plana con cubierta se encuentran equipados con un aislamiento y 
cajas resistentes a la intemperie que contienen una placa de absorción obscura, 
normalmente de color negro mate, bajo una o varias cubiertas de vidrio o plástico, 
encargadas de permitir la penetración de la radiación solar hacia la placa de absorción y 
mantener la ganancia térmica (Figura 4). 
 
Los colectores de placa plana sin cubierta tienen una placa de absorción obscura de metal 
o plástico sin ningún tipo de cubierta, como el que se muestra en la Figura 5. 
 
 
 
Figura 4 Componentes de un colector solar de placa plana con cubierta 
 
 
9 | P á g i n a 
 
 
Figura 5 Colector solar plano sin cubierta (ECOSUN) 
 
 
Los colectores de tubos evacuados están formados, como su nombre lo indica, por un 
tubo exterior de vidrio compuesto por dos capas y un tubo central de alimentación a 
través del cual circula el fluido de trabajo. Las capas del tubo exterior, se encuentran 
separadas por un espacio vacío; la capa interna es la placa absorbente mientras que la 
capa externa funciona como cubierta (Figura 6). 
 
Esta configuración propicia una mejor captación de radiación solar con una baja 
emisividad de la superficie absorbente y la presencia del espacio vacío entre capas, lo que 
evita que se presenten problemas de congelación del agua (Ibrahim, O. et al, 2013). En la 
Figura 7 se puede observar un colector solar de tubos evacuados. 
 
 
Figura 6 Estructura de un tubo evacuado 
10 | P á g i n a 
 
 
Figura 7 Colector solar de tubos evacuados (SUNNERGY) 
 
 
Los concentradores parabólicos reciben ese nombre debido a que, mediante superficies 
de espejos con forma parabólica, reflejan y centralizan los rayos solares en un tubo 
absorbedor, que corre a lo largo de la longitud del concentrador (Figura 8). En el interior 
del tubo absorbedor, se hace circular al fluido de trabajo que absorbe el calor por 
contacto directo. El fluido de trabajo normalmente es una mezcla de agua y 
anticongelante, ya que en este tipo de colector solar, a diferencia de los colectores de 
placa plana y de tubos evacuados, es posible alcanzar temperaturas de hasta 400°C 
(Ibrahim, O. et al, 2013). 
 
 
 
Figura 8 Concentrador parabólico 
11 | P á g i n a 
 
El uso de este colector se encuentra limitado a zonas geográficas que cuenten con poca o 
nula nubosidad la mayor parte del año debido a que obtienen el calor que requieren de la 
incidencia directa de los rayos solares. Es por esto que cuentan con un sistema de 
seguimiento de la trayectoria solar para garantizar que la superficie reflejante se 
encuentre viendo al sol en todo momento del día, lo que los hace más complejos y 
costosos, por lo que son empleados principalmente en procesos industriales y para 
generación de energía eléctrica. 
 
 
1.1.1.2 NORMAS VIGENTES 
 
Las normas vigentes aplicables a los calentadores solares que se distribuyen en México 
son las Normas mexicanas NMX-ES-001-NORMEX-2005 y NMX-ES-004-NORMEX-2010. 
 
Estas normas son expedidas por la Sociedad Mexicana de Normalización y Certificación S. 
C (NORMEX), que forma parte de los Organismos Nacionales de Normalización (ONN), 
organizaciones privadas encargadas de elaborar y emitir normas de carácter voluntario en 
nuestro país (Medina Monroy, M. G. A, 2013). Esto quiere decir que no existe actualmente 
una norma oficial mexicana (NOM) que obligue a los fabricantes de equipos para 
calentamiento de agua sanitaria que emplean la energía solar como fuente de energía 
primaria, para regular y garantizar un funcionamiento adecuado y seguro de los mismos. 
 
 
1.1.1.2.1 NMX-ES-001-NORMEX-2005. Energía solar, rendimiento térmico y funcionalidad 
de colectores solares para calentamiento de agua. Métodos de prueba y 
etiquetado 
 
Esta norma se encarga de establecer los métodos de prueba para la obtención del 
rendimiento térmico de los colectores solares comercializados en México que 
proporcionen ACS en fase líquida, así como su etiquetado. Es elaborada con la finalidad de 
12 | P á g i n a 
 
promover el uso de la radiación solar como fuente principal de energía para la producción 
de ACS, y de esta forma contribuir a la disminución de las emisiones contaminantes 
derivadas del consumo de combustibles fósiles. 
 
1.1.1.2.2 NMX-ES-004-NORMEX-2010. Energía solar, evaluación térmica de sistemas 
solares para calentamiento de agua. Método de prueba 
 
Esta norma establece el método de prueba para la evaluación y comparación del 
desempeño térmico de los sistemas de uso doméstico, que utilizan la energía solar como 
fuente de energía para el calentamiento de agua sanitaria. A diferencia de la NMX-ES-001-
NORMEX-2005, cuyo campo de aplicación se limita a los colectores solares, ésta norma 
considera a los sistemas solares que funcionan mediante circulación forzada o natural, a 
partir de colectores solares planos, de tubos evacuados, auto contenidos, o con 
concentradores parabólicos compuestos. 
 
 
1.1.2 CALENTADORES DE GAS 
 
En un calentador a gas o calentador de gas, la energía calorífica requerida para la 
producción de agua caliente sanitaria proviene de la quema de combustibles fósiles, 
específicamente, del gas natural y el gas L. P. 
 
Está formado por la cámara de combustión, el intercambiador de calor, el quemador, el 
piloto, un tubo de humo por donde salen los gases derivados de la combustión yun 
aislamiento térmico, además de un sistema de control automático de temperatura 
(integrado por un termostato y un termopar) y un sistema de encendido por presión. En 
la Figura 9 se muestra un diagrama de los componentes principales. 
13 | P á g i n a 
 
 
Figura 9 Componentes de un calentador de gas doméstico 
 
 
Un calentador de gas de acuerdo a su funcionamiento puede ser de tres tipos (NOM-003-
ENER-2011, 2011): 
 
 Calentador de almacenamiento 
 Calentador de rápida recuperación 
 Calentador instantáneo 
 
En un calentador de almacenamiento, se cuenta con un tanque que contiene, de acuerdo 
a su capacidad, una cierta cantidad de agua caliente disponible en todo momento, 
mientras que en un calentador instantáneo, no se requiere de un tanque de depósito, ya 
que cuenta con un serpentín a través del cual fluye el agua que se va calentando en 
función del caudal que se demande (Tecnos, 2014). 
 
14 | P á g i n a 
 
El calentador de rápida recuperación funciona de la misma forma que el calentador 
instantáneo, sólo que utiliza uno o varios intercambiadores de calor en vez de un 
serpentín, además de un pequeño depósito con el cual mantienen el agua a una 
temperatura uniforme, y cuando se encienden la calientan de manera continua. 
 
 
1.1.2.1 FUNCIONAMIENTO 
 
El piloto es el dispositivo en el que se produce la flama que enciende al quemador, a 
través del cual penetra una mezcla de aire y gas, que al entrar en contacto con la flama 
produce la combustión. Este proceso se lleva a cabo dentro de la cámara de combustión, 
que se encuentra dentro de un tanque aislado con el exterior. 
 
El sistema de control de temperatura está formado por un termostato que se encarga de 
regular la cantidad de combustible en el quemador de acuerdo a la temperatura del agua, 
obtenida a través de un termopar. Se cuenta también con una válvula de alivio de presión 
para asegurar la salida de los gases de combustión que se liberan hacia la atmósfera por 
medio del tubo de humo. 
 
En un calentador de gas de almacenamiento, el calor que se produce por la quema del gas 
es aprovechado para elevar la temperatura del volumen de agua que se encuentra en el 
tanque de almacenamiento. En el calentador de tipo instantáneo, el agua no es 
almacenada para ser calentada, sino que en ésta configuración, el agua fluye por dentro 
de un tubo llamado serpentín, que se encuentra en contacto con los gases de combustión 
y de ésta forma le es transmitido el calor (Figura 10). 
15 | P á g i n a 
 
 
Figura 10 Diagrama de un calentador de gas doméstico de tipo instantáneo 
 
 
1.1.2.2 NORMAS VIGENTES 
 
Al ser la tecnología para calentamiento de agua más empleada en México, la existencia de 
normas oficiales que regulen los calentadores de agua a gas es imperativa, así como la 
continua actualización y verificación de las mismas. 
 
Actualmente se cuenta en México con las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) NOM-003-
ENER-2011 y la NOM-011-SESH-2012 que, a diferencia de las NMX, son de carácter 
obligatorio y son expedidas por dependencias públicas (Subsecretaría de Fomento y 
Normatividad Ambiental, 2015). 
 
 
16 | P á g i n a 
 
1.1.2.1.1 NOM-003-ENER-2011. Eficiencia térmica de calentadores de agua para uso 
doméstico y comercial. Límites, método de prueba y etiquetado 
 
Debido a la necesidad de incrementar el ahorro de energía mediante el uso de equipos de 
calentamiento de agua de mayor eficiencia térmica y calidad, ésta norma establece los 
niveles de eficiencia térmica mínima con la deben contar los calentadores de agua, ya 
sean domésticos o comerciales, cuyo combustible sea el gas L.P. o gas natural. 
 
De igual forma establece el método de prueba para la obtención de la eficiencia térmica y 
los requisitos mínimos con los que debe cumplir el etiquetado comercial para ofrecer a los 
consumidores la información necesaria para una adquisición satisfactoria del equipo. 
 
1.1.2.1.2 NOM-011-SESH-2012. Calentadores de agua de uso doméstico y comercial que 
utilizan como combustible Gas L.P. o Gas natural. Requisitos de seguridad, 
especificaciones, métodos de prueba, marcado e información comercial 
(Cancela a la NOM-020-SEDG-2003) 
 
Ésta norma contiene, al igual que la NOM-003-ENER-2011, los requerimientos mínimos 
para garantizar el correcto funcionamiento de un calentador de gas, pero adiciona los 
requisitos de seguridad que deben ser contemplados en éstos equipos. 
 
 
 
 
 
17 | P á g i n a 
 
1.1.3 CALENTADORES ELÉCTRICOS 
 
 
Figura 11 Componentes de un calentador de agua eléctrico 
 
El principio de funcionamiento de un calentador eléctrico es el Efecto Joule. Estos 
dispositivos constan de un tanque de almacenamiento con una resistencia eléctrica en su 
interior. La resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica, genera el calor que 
es disipado hacia el agua e incrementa su temperatura. En la Figura 11 se muestran los 
componentes de un calentador eléctrico. 
 
 
 
1.1.4 BOMBAS DE CALOR 
 
Una bomba de calor aplicada al calentamiento de agua sanitaria, es un dispositivo que 
transfiere al agua la energía térmica que absorbe de un medio llamado zona fría o región 
de baja temperatura, valiéndose de un aporte de trabajo. En este sistema de 
calentamiento de agua, el calor que se requiere puede ser obtenido de varias fuentes, 
como del aire exterior, mantos acuíferos, capas freáticas, y de la radiación solar. 
 
18 | P á g i n a 
 
Es una máquina térmica que funciona mediante un ciclo de compresión mecánica, por lo 
que sus componentes principales son: un compresor, un intercambiador de calor, un 
elemento de expansión, y un evaporador. Aunque es una tecnología que comenzó a 
desarrollarse y comercializarse desde hace varias décadas, en países como México aún se 
encuentra emergiendo a pesar de sus grandes ventajas ecológicas y potencial térmico. 
 
El proceso de producción de ACS se conforma de varias etapas, además de que dentro del 
mismo se ven involucrados varios factores y elementos que decretan la naturaleza de 
dicho proceso, siendo el calentador el componente principal dentro del mismo, por lo que 
su selección es determinante. 
 
La selección de un calentador de agua depende mayormente de las necesidades del 
usuario, influidas por la región en la que se encuentra, además de sus posibilidades 
financieras. Aunque existen varias tecnologías de calentamiento de agua para el sector 
residencial, el calentador a base de gas sigue siendo el más utilizado, a pesar de sus 
desventajas ambientales, debido a su bajo costo de inversión inicial y popularidad. 
 
Actualmente se encuentran en desarrollo otros equipos que proponen el 
aprovechamiento de energías renovables, como la energía solar y el calor del medio 
ambiente, para disminuir la producción de gases de combustión dañinos para el medio 
ambiente al momento de producir agua caliente. 
 
Sin embargo hace falta una mayor promoción y difusión de estos equipos, en conjunto con 
normas oficiales que regulen su operación, para que el usuario conozca las ventajas de 
otras tecnologías disponibles para el calentamiento de agua. 
19 | P á g i n a 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
 BOMBAS DE CALOR 
 
Dentro de este capítulo se presenta el principio de funcionamiento 
de las bombas de calor, sus características y componentes 
principales, además de su clasificación, haciendo énfasis en la 
bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar, que 
es el objeto de estudio. Además de lo anterior, en el segundo 
capítulo se expone, a través del estado del arte, la situación actual 
de los estudios realizados sobre el tipo de bomba pertinente en 
cuanto a su desarrollo, así como su normalización y métodos de 
prueba. 
 
 
 
20 | P á g i n a 
 
Capítulo 2. BOMBAS DE CALOR 
 
2.1 TEORÍA DE LAS BOMBAS DE CALOR 
 
Una bomba de calor es una máquina térmica quetransfiere energía en forma de calor de 
una región de baja temperatura a una región de alta temperatura mediante un aporte de 
trabajo y utilizando un fluido hacia y desde el cual transfiere el calor, llamado fluido de 
trabajo. Su principal función es la de mantener la temperatura de algún espacio, 
estructura o edificio, superior o inferior a la temperatura de sus alrededores. Figura 12. 
 
El objetivo del ciclo de una bomba de calor es el de transportar el calor de salida hacia la 
región de alta temperatura, es decir, el espacio que será calentado. En estado 
estacionario, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, tenemos que: la energía 
que se suministra a la región de alta temperatura por la transferencia de calor (𝑄𝑎), es 
igual a la suma de la (𝑄𝑏), más la diferencia del trabajo de entrada o trabajo 
suministrado neto (𝑊) (2.1). (Moran, M. J. et al, 2011). 
 
|𝑄𝑎| = |𝑊| + 𝑄𝑏 (2.1) 
 
 
Figura 12 Flujo de calor en una bomba de calor 
 
21 | P á g i n a 
 
La segunda ley de la termodinámica, predice la dirección de los procesos termodinámicos, 
establece condiciones de equilibrio y determina los mejores desempeños teóricos de 
ciclos y máquinas térmicas, por lo que aplicándola, podemos encontrar la ecuación para 
representar los coeficientes máximos teóricos de operación (COP) para una bomba de 
calor que opera entre dos regiones de temperatura, para su ciclo de refrigeración y el de 
calefacción. 
 
Para una bomba operando bajo el ciclo de Carnot, en su ciclo de calefacción, el coeficiente 
de operación se expresa en la ecuación. (2.2). 
 
𝐶𝑂𝑃 = 
|𝑄𝑎|
𝑊
 Ec. (2.2) 
 
Este coeficiente expresa la relación entre la energía térmica cedida y la energía eléctrica 
absorbida por la máquina térmica. Para bombas de calor comercializadas en la Unión 
Europea, el COP es medido con el equipo operando bajo condiciones regularizadas 
establecidas en normas (EN 255/EN 14512/EN 16147). (Dimplex, 2015) 
 
 
2.2 FLUIDO DE TRABAJO: REFRIGERANTES 
 
Los fluidos de trabajo empleados en los sistemas de refrigeración, dentro de los cuales 
encontramos a las bombas de calor, son los refrigerantes. 
 
Los refrigerantes son sustancias encargadas de absorber, transportar y rechazar calor a 
través de un cambio de fase. Mediante su evaporación, el refrigerante absorbe el calor de 
una zona para transportarlo y cederlo a otra zona, esta vez por medio del proceso de 
condensación del mismo. Este cambio de fase del refrigerante se presenta en los ciclos de 
refrigeración por compresión mecánica y compresión por absorción. 
22 | P á g i n a 
 
Se identifican por su fórmula química o su nomenclatura alfanumérica, que parte de la 
fórmula química de cada refrigerante, siendo la segunda la más empleada. 
 
Existen varios tipos de refrigerantes, clasificados de acuerdo a su composición química y a 
sus propiedades. 
 
Las propiedades del refrigerante influyen directamente en el diseño de un equipo de 
refrigeración o bomba de calor, es por esto que se toman en cuenta ciertos parámetros en 
la selección del refrigerante. 
 
Los factores principales que intervienen en la selección de un refrigerante son: 
 
 Seguridad: La estabilidad química bajo las condiciones de uso de un refrigerante 
es la característica más importante. Evitar riesgos de toxicidad e inflamabilidad. 
 Impacto ambiental: Su contribución a la degeneración de la capa de ozono e 
influencia en el calentamiento global. 
 Rendimiento térmico: Propiedades físicas y termodinámicas del refrigerante. 
 
SEGURIDAD 
 
La Sociedad Americana de Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción, ASHRAE por 
sus siglas en inglés, ha establecido una clasificación alfanumérica de seguridad del uso de 
un refrigerante en su norma ANSI/ASHRAE Standard 34, en base a la inflamabilidad y la 
toxicidad de los refrigerantes. Figura 13. 
 
A cada refrigerante se le asignada una letra (A o B) de acuerdo a la toxicidad que 
manifiestan en concentraciones de hasta 400 mL/m3, obteniendo la letra A cuando son 
considerados no tóxicos. Cuando se presenta evidencia de toxicidad se les sitúa en el 
grupo B. 
 
23 | P á g i n a 
 
Para la clasificación de inflamabilidad, se establecen 3 clases: 
 
1: Para los refrigerantes que en aire, bajo condiciones de 18°C a 101 kPa, no presentan 
propagación de flama. 
 
2: Los refrigerantes con un límite de inflamabilidad inferior (Lower Flammability Limit, LFL) 
mayor a 0.10 kg/m3 bajo condiciones de 21°C a una presión de 101 kPa, o con un calor de 
combustión menor a 19 000 kJ/kg. 
 
3: Los refrigerantes altamente inflamables, con un LFL menor o igual a 0.10 kg/m³ a 21°C y 
101kPa, o con un calor de combustión igual o mayor a 19 000 kJ/kg. 
 
 
 
Figura 13 Clasificación de seguridad de los refrigerantes de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34 
24 | P á g i n a 
 
 
Figura 14 Clasificación de grupos de seguridad para algunos refrigerantes, según norma ANSI/ASHRAE 34 
 
En la Figura 14 se muestran algunos refrigerantes y el grupo de seguridad al que 
pertenecen de acuerdo a la clasificación de seguridad del ANSI/ASHRAE Standard 34, y se 
puede observar que el refrigerante R134a se encuentra clasificado en el grupo de mayor 
seguridad. 
 
 
IMPACTO AMBIENTAL 
 
El impacto ambiental, como su nombre lo indica, nos da una referencia sobre los efectos 
negativos que significan el uso de un determinado refrigerante sobre el medio ambiente, 
específicamente el daño que generan a la capa de ozono, expresado mediante el 
Potencial de Agotamiento de la capa de ozono (ODP, por sus siglas en Inglés) y su 
contribución al calentamiento global, la cual es indicada por el Potencial de Calentamiento 
Global (GWP, por sus siglas en inglés). 
 
El ODP expresa el impacto que cierta masa de una sustancia origina sobre la capa de 
ozono con relación al impacto efectuado por la misma cantidad de masa del CFC-11 (R11). 
Debido a que dicha sustancia es la que mayor potencial de destrucción de ozono tiene al 
25 | P á g i n a 
 
contener 3 átomos de Cloro en su molécula, es considerado para ésta un valor de ODP = 1. 
El Cloro, al ser liberado en la estratósfera destruye el ozono, es por esto que los 
refrigerantes que no contienen Cloro en su molécula, como los HFC 
(Hidrofluoroclarbonos), entre ellos el R134a, cuentan con un ODP=0. 
 
El GWP relaciona el calentamiento global ocasionado por una cierta cantidad de sustancia 
con respecto al calentamiento producido por una masa similar de dióxido de carbono en 
un periodo de tiempo determinado, por lo que el ODP del CO2 es considerado igual a 1. El 
Potencial de Calentamiento Global del refrigerante R134a es de 1430. 
 
Debido a su gran estabilidad molecular, los CFC se mantienen presentes en la atmósfera 
durante muchos años, para eventualmente difundirse en la estratósfera, donde sus 
moléculas se separan, liberando Cloro, elemento químico que contribuye en gran medida 
a la destrucción progresiva de la capa de ozono. En la atmósfera baja sus efectos no son 
menos significativos, ya que sus moléculas absorben la radiación infrarroja, contribuyendo 
al calentamiento global. 
 
En los HFC, un átomo de hidrógeno es sustituido por uno o más de los halógenos de una 
molécula de CFC, lo cual disminuye el tiempo de vida del refrigerante en la atmósfera y 
por lo tanto disminuyen en igual medida su impacto ambiental. 
 
El Protocolo de Montreal es un acuerdo internacional creado con la finalidad de controlar, 
e inclusive en un futuro erradicar, la producción y uso de sustancias que contribuyen a la 
degeneración de la capa de ozono, incluyendo los refrigerantes que contienen Bromo y/o 
Cloro en sus moléculas, como es el caso de los CFC y los HCFC. 
 
 
26 | P á g i n a 
 
RENDIMIENTO TÉRMICO 
 
El rendimiento térmico de un refrigerante se refiere a su capacidad de proporcionar, de 
forma rentable y confiable, el enfriamiento o calentamientorequeridos por el sistema, 
está expresado en base a las propiedades termo-físicas del refrigerante y es asociado 
directamente con la eficiencia térmica del equipo. 
 
Algunas de las propiedades físicas más utilizadas de un refrigerante son: masa molecular, 
punto de ebullición, punto de congelamiento, temperatura crítica, presión crítica, 
volumen crítico, índice de refracción del líquido. De las cuales la más importante es el 
punto de ebullición, ya que es la que determina directamente el rango de temperaturas 
de uso de un refrigerante. 
 
Otro factor importante que se debe considerar al utilizar un refrigerante es su 
compatibilidad con los materiales empleados en la construcción del sistema de 
refrigeración, ya que bajo ciertas condiciones de uso, determinados materiales pueden 
afectar las propiedades del fluido de trabajo. Otro caso que puede presentarse es la 
destrucción de ciertos materiales por su incompatibilidad con los refrigerantes, como 
sucede con el cobre (Cu) y el Amoníaco (NH3). 
 
 
 
2.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR 
 
Existen varios tipos de bombas de calor clasificadas de acuerdo a: los mecanismos de 
transmisión utilizados, a los fluidos portadores de calor utilizados, así como también, de 
acuerdo al tipo de fuente empleada para accionar el compresor, y a su construcción. 
 
 Las bombas de calor por compresión de vapor son las más comunes y son usadas en 
aplicaciones de calefacción de espacios generalmente. 
27 | P á g i n a 
 
De acuerdo a los fluidos portadores de calor, tenemos: 
 
 Bomba de Calor aire-aire: El calor es obtenido del aire exterior y es transferido al 
aire de la región que requiere calefacción o refrigeración. 
 
 Bomba de Calor aire-agua: El calor se obtiene del aire y se transfiere a un depósito 
o circuito de agua que abastecerá una superficie (suelo, techo, piscina) o un 
dispositivo (radiador) de agua caliente o fría, según se requiera. 
 
 Bomba de Calor geotérmica: En este tipo de bomba, la energía se obtiene del calor 
del suelo, más específicamente, de cuatro fuentes: suelo superficial, lecho de roca, 
aguas freáticas y aguas superficiales (lagos y ríos). Utilizan la temperatura 
relativamente constante a lo largo del año de dichas fuentes para obtener calor de 
ellas en temporadas frías, y para transferirle calor en temporadas calientes. 
Encontramos dos tipos de configuraciones según su construcción: vertical y 
horizontal. 
 
Dentro de este tipo de bombas encontramos: 
 
o Bomba de Calor agua-agua / agua-aire: El calor se obtiene de un circuito o 
depósito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el 
calor para transferirlo a otro circuito o depósito de agua (agua-agua) o bien, 
directamente al aire de un espacio (agua-aire). 
 
En este ejemplo de bomba de calor, las fuentes de energía son: 
 
 Aguas freáticas: Para esta opción se requiere la construcción de una 
bomba de tipo vertical, y dos pozos, en uno de los cuales se 
absorberá el calor y otro al cuál se cederá el calor. 
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 Aguas superficiales: Se obtiene la energía de grandes depósitos de 
agua, como lagos y se utiliza una construcción horizontal. 
 
 
o Bomba de Calor suelo-aire / suelo-agua: Son bombas de calor que 
transfieren el calor del suelo para calefacción y refrigeración de espacios 
(suelo-aire) y/o depósitos de agua (suelo-agua). 
 
Cuando la energía se obtiene de: 
 
 Lecho de roca: Se capta la energía almacenada en el suelo profundo 
mediante un colector vertical. 
 
 Suelo superficial: La energía que absorbe la capa superficial del 
suelo, del sol, la lluvia y el aire, es recolectada por un colector 
horizontal. 
 
 Bomba de Calor solar-aire: Aprovechan la energía solar como fuente de calor para 
usos de calefacción de espacios a través de corrientes de aire. 
 
 Bomba de Calor solar-agua: Absorben calor de la energía solar para calentar 
circuitos o circuitos de agua. 
 
Clasificándolas de acuerdo a la fuente para accionar el compresor: 
 Bomba de Calor eléctrica: Como su nombre lo indica, el compresor opera usando 
un motor eléctrico. 
 
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 Bomba de Calor con motor térmico: Se utiliza un motor de combustión de gas o de 
algún líquido para hacer funcionar el compresor. 
 
Según su construcción, encontramos: 
 
 Bomba de Calor compacta: Este tipo de bomba se llama así porque todos su 
elementos se encuentran en un mismo compartimento. 
 
 Bomba de Calor partida (Split): Cuenta con un módulo exterior y otro interior en 
donde generalmente se localiza la válvula de expansión y el compresor. 
 
 Multi Split: Sus componentes se encuentran divididos en una unidad exterior y en 
varias interiores. 
 
Cuando una bomba de calor obtiene calor, no únicamente de una fuente de energía, 
encontramos a las llamadas bombas de calor híbridas. Entre ellas están: 
 
 Bomba de Calor asistida por energía solar (SAHP) 
Este tipo de bombas pueden clasificarse a su vez en sistemas de expansión directa y 
sistemas de expansión indirecta. 
 
o Bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar (DXSAHP) 
En la expansión directa, refrigerante absorbe la energía solar mediante su paso por el 
colector, que desempeña al mismo tiempo la función del evaporador, combinados en un 
solo elemento. De esta forma, el fluido de trabajo abandona el colector/evaporador en 
estado gaseoso. 
 
o Bomba de calor de expansión indirecta asistida por energía solar (IDXSAHP) 
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En este tipo de sistemas, el intercambio de energía entre el refrigerante y el agua a 
calentar se lleva a cabo de forma indirecta, mediante el uso de un fluido intermedio 
portador de calor. A su vez, estos equipos pueden tener diferentes tipos de 
configuraciones: 
 
 Sistema en serie 
 Sistema en paralelo 
 Sistema dual 
 
Otras bombas de calor son: 
 Bombas de absorción: emplean un refrigerante, y como su nombre lo dice, un 
absorbente. Realizan una compresión térmica, en vez de una compresión 
mecánica, como la mayoría de las bombas de calor, y su ciclo termodinámico 
depende de las propiedades de su absorbente y capacidad para atraer el fluido 
refrigerante. 
 
 Bombas de calor por adsorción: utilizan la fijación de las partículas de un fluido a la 
superficie de un sólido, el cual recibe el nombre de adsorbente, como sustituto de 
un trabajo mecánico. No realizan un ciclo continuo, por lo que se puede considerar 
que trabajan bajo dos ciclos, el de carga y el de descarga. 
 
 
2.4 FUNCIONAMIENTO 
 
Una bomba de calor está compuesta por: compresor, condensador, válvula de expansión y 
evaporador, además de una válvula inversora de ciclo en algunos casos. 
 
El fluido de trabajo en estado de vapor a baja temperatura transita por en el compresor, 
que incrementando su presión, aumenta su energía interna y por tanto también su 
temperatura. El fluido caliente se dirige al condensador, en el cual cede su calor a la región 
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de alta temperatura, logrando una condensación parcial del fluido para posteriormente 
hacerlo pasar por la válvula de estrangulamiento o válvula de expansión, en donde 
experimenta un proceso de estrangulamiento, o pérdida de presión, que deriva en una 
pérdida de temperatura hasta que ésta regresa a su valor inicial. Para absorber calor 
nuevamente de la llamada región de baja temperatura, el fluido de trabajo pasa por el 
evaporador y el ciclo vuelve a comenzar. Para los equipos que cuentan con una válvula 
inversora de ciclo, ésta se encuentra a la descarga del compresor, y como su nombre lo 
indica, su función es invertir el ciclo en caso de ser requerido, mediante la transformación 
del evaporador en el condensador y viceversa. Figura 15. 
 
La eficiencia máxima depende únicamente de la temperatura de condensación y de 
evaporación, por lo que a menor diferencia entre ambas temperaturas, mayor será la 
eficiencia,