Bombas de calor de CO2 para agua caliente comercial: elevación de temperatura y adecuación al sistema

Actualizado en octubre de 2026

Las bombas de calor de CO2 utilizan dióxido de carbono como refrigerante, también llamado R744, para transferir calor al agua. Son una buena opción para producir agua caliente en edificios comerciales cuando se combinan agua fría de reposición, altas temperaturas de almacenamiento y un sistema de circulación bien diseñado. En hoteles, edificios de departamentos e instalaciones industriales, las preguntas clave son qué temperatura alcanza el agua de entrada, cuánta agua caliente consume el edificio en las horas de mayor demanda y cómo responde la central hidrónica a las cargas térmicas.

Un sistema que alcanza la temperatura de salida deseada aún puede tener una capacidad de calefacción insuficiente en invierno. También puede ocurrir que un compresor muy eficiente forme parte de un sistema costoso de operar si el respaldo eléctrico recalienta una carga de circulación grande. Este informe relaciona estos factores con un método práctico de selección y presenta ejemplos publicados, incluido un cálculo eléctrico detallado.

¿Qué son las bombas de calor de CO2 y cómo funcionan?

Una bomba de calor de CO2 es una bomba de calor cuyo circuito de refrigerante contiene R744. En un calentador de agua con fuente de aire, el equipo capta calor del aire ambiente y lo transfiere a otro circuito de agua. La electricidad impulsa esa transferencia. El dióxido de carbono permanece en el circuito de refrigerante; no se añade al agua caliente de uso doméstico.

Considere el refrigerante como un medio que transporta calor entre dos intercambiadores térmicos. El intercambio de calor mantiene separados los circuitos de agua y de refrigerante. El circuito de agua lleva el calor al tanque de almacenamiento o al edificio. El término CO2 identifica el fluido de trabajo, mientras que fuente de aire, fuente de agua y fuente geotérmica identifican de dónde proviene el calor. Son decisiones distintas: elegir aire o agua como fuente de calor no determina el refrigerante. Las bombas de calor geotérmicas también se definen por su fuente. En nuestra guía sobre fundamentos de las bombas de calor aire-agua se explica la configuración general.

¿Cómo funcionan las bombas de calor de CO2?

En un ciclo transcrítico de dióxido de carbono, el compresor aumenta la presión y la temperatura del refrigerante. El refrigerante caliente libera calor a través de un enfriador de gas; un dispositivo de expansión reduce su presión y el evaporador vuelve a captar calor. En un sistema tradicional, el refrigerante libera calor mediante la condensación a una temperatura de saturación constante. En este caso, la temperatura del refrigerante cambia y el calor se transfiere al otro circuito. Este proceso es adecuado para calentar una corriente de agua fría mediante una elevación de temperatura considerable.

La instalación central de calentamiento de agua con bomba de calor del estudio de campo de Banks y sus colegas utiliza este ciclo transcrítico de CO2. Su alta presión forma parte del diseño del equipo, que requiere componentes, protecciones y procedimientos de servicio adecuados para ese refrigerante.

En comparación con refrigerantes con un alto potencial de calentamiento global, el dióxido de carbono tiene un potencial de calentamiento global bajo y un potencial de agotamiento del ozono nulo. El proyecto de calentadores de agua de CO2 del Departamento de Energía de Estados Unidos también señala que no es inflamable. El GWP y el ODP del refrigerante describen propiedades ambientales específicas; la huella de carbono del edificio también depende de la electricidad, el consumo de energía y el sistema de calefacción al que sustituye.

Temperatura del agua en bombas de calor de CO2: entrada, salida y elevación

Heat2O de Mitsubishi indica una temperatura máxima de salida de 176°F (80°C), pero la capacidad real depende de la entrada y del circuito de agua. Para describir adecuadamente la capacidad del equipo en relación con un circuito de agua, indique tres temperaturas en la misma línea: la del agua de entrada, la del agua de salida y la del aire de entrada. Un valor máximo de salida responde solo una de esas preguntas. Los calentadores de agua con bomba de calor de CO₂ deben seleccionarse según las temperaturas del agua de entrada y salida y del aire de entrada.

El suministro de agua fría de reposición es adecuado para una bomba de calor de paso único. Esto genera una gran elevación de temperatura en el lado del agua. El agua de retorno tibia de un circuito de recirculación implica otras condiciones de operación requeridas: la elevación de temperatura es menor y el agua entra más tibia al enfriador de gas. En este, la temperatura del agua de entrada influye en el rendimiento de la bomba de calor, incluso si el punto de ajuste final del tanque permanece igual.

Durante los períodos de poco consumo de agua nueva y recirculación continua, una entrada nominalmente fría puede calentarse. Para comparar el rendimiento en una modernización, se necesitan las temperaturas del agua de entrada y salida y del aire de entrada a lo largo de todo el ciclo. La guía de diseño de calentadores de agua centrales con bomba de calor explica este comportamiento.

Mantenga separado el circuito hidráulico primario de la temperatura del agua en el punto de consumo. Algunos sistemas transfieren calor directamente al almacenamiento de agua potable; otros utilizan un intercambiador de calor secundario entre un circuito hidráulico primario cerrado y el agua potable. Las distintas temperaturas se establecen mediante el almacenamiento, la distribución y la mezcla.

En el documento de demostración de 2024 de la Association for Energy Affordability, el circuito primario de Heat2O suministró agua a 176°F al intercambiador de calor secundario, mientras que el agua potable almacenada normalmente alcanzó unos 165°F (74°C). Esta diferencia cambia la temperatura útil disponible antes de la distribución y la mezcla.

En el estudio de campo de Banks publicado en 2022 también se registraron distintas temperaturas: el agua de la red de entrada osciló entre 50–72°F (10–22.2°C), se calentó a 147°F (63.9°C) y entró al circuito de recirculación a unos 125°F (51.7°C). Estas son las condiciones registradas en esa instalación, no una recomendación de gestión del agua para otros edificios.

Identifique los sensores de temperatura según el circuito y la ubicación. Sustituya «Agua caliente: 80°C» por «salida del circuito primario: 80°C; almacenamiento y distribución de agua potable: diseño independiente».

Almacenamiento y recirculación: mantenga fría la entrada

El almacenamiento estratificado permite que una bomba de calor de CO2 de paso único reciba agua más fría y mantiene el agua caliente disponible en la salida superior del tanque. El retorno de circulación tibio suele ser el desafío: su punto de conexión y el método de recalentamiento afectan tanto la mezcla en el tanque como el consumo eléctrico.

Separe la carga térmica de calentamiento del agua nueva de la carga térmica de mantenimiento de temperatura. La primera calienta el agua de reposición a medida que los ocupantes consumen agua. La segunda compensa el calor que pierde el agua al circular por el sistema, incluso cuando los ocupantes no consumen agua. Si se combinan ambas cargas, puede quedar oculto el motivo por el que la central hidrónica consume más electricidad de la prevista.

Matriz de compatibilidad con entrada fría

El equipo y el almacenamiento se dimensionan según la demanda del proyecto. La síntesis de la guía de Ecotope y las demostraciones de campo de AEA orienta las decisiones de diseño.

Un tanque de compensación separa el recalentamiento de recirculación de la configuración de almacenamiento primario. El agua caliente que circula por él ayuda a cubrir la carga térmica; una resistencia eléctrica aporta calor cuando hace falta. Una configuración de circuito paralelo utiliza equipos distintos para mantener la temperatura. Cada opción modifica el espacio requerido, los sistemas de control y la energía auxiliar.

En las pruebas iniciales de una semana en la central hidrónica de Lassen, AEA informó un COP de 2.7 al retornar el agua de circulación al tanque primario frío, frente a un valor de referencia de 2.3. La configuración diseñada de retorno al circuito primario modificó la ruta de recalentamiento de recirculación; el tanque de compensación siguió disponible como respaldo. Los autores sospecharon que la estratificación deficiente existente influyó en el resultado y planearon una validación más prolongada.

El ingreso de agua fría y la operación segura con agua potable requieren un diseño coordinado. Un circuito primario cerrado que no transporta agua potable, una línea de agua fría de reposición y un tanque de almacenamiento de agua potable cumplen funciones distintas. La guía de los CDC sobre el agua en edificios aborda la temperatura, la antigüedad del agua, el desinfectante residual y los controles antiquemaduras. Los cambios para mejorar la eficiencia deben cumplir la estrategia de gestión del agua del edificio.

Capacidad de las bombas de calor de CO2 en clima frío

La capacidad publicada de Heat2O es de 40 kW con una temperatura ambiente de 36°F (aproximadamente 2°C); a −13°F (−25°C), la capacidad baja al 50%, aunque aún se puede alcanzar agua a 176°F, según el comunicado de Heat2O de Mitsubishi. Las bombas de calor de CO2 con fuente de aire pueden producir agua caliente en clima frío, pero la capacidad de calefacción disponible varía según el modelo y las temperaturas de operación.

Esto es relevante para un hotel o edificio de departamentos: la temperatura de salida puede ser suficiente, pero la recuperación puede tardar más. El mismo volumen diario de agua caliente puede ser fácil de suministrar si se distribuye durante el día y difícil si se concentra en la demanda matutina. La temperatura ambiente, el comportamiento durante el deshielo, la disponibilidad de almacenamiento y el funcionamiento del respaldo deben considerarse al seleccionar equipos para invierno. La temperatura del aire circundante determina las condiciones de la fuente para el equipo exterior. ¿Cuánta capacidad de calefacción está disponible durante ese período de recuperación?

El dimensionamiento para invierno debe considerar cómo la demanda agota el almacenamiento y cómo el equipo lo repone en condiciones cambiantes. El estudio de 2024 sobre edificios multifamiliares del Oak Ridge National Laboratory combinó el dimensionamiento para el día de diseño, un modelo de tanque estratificado y un mapa de rendimiento de una bomba de calor comercial de CO2; los ahorros simulados corresponden a los sitios y las tarifas analizados.

Los límites de ruido nocturno también pueden reducir la capacidad disponible para la recuperación. El proyecto de AEA en Lassen redujo la operación nocturna para controlar el ruido para los vecinos, y la capacidad instalada justificó esa decisión. En otro edificio, la misma restricción podría requerir más almacenamiento o un horario de recuperación distinto.

Las bombas de calor con fuente de agua utilizan un perfil de temperatura de la fuente distinto al de los equipos exteriores. Un diseño de bomba de calor con fuente de agua aprovecha las condiciones disponibles del agua y contempla el bombeo asociado, incluida la disponibilidad de la fuente durante las horas más frías.

Bombas de calor de CO2 frente a R290 para agua caliente comercial

El R744 puede utilizarse para lograr una gran elevación de temperatura a partir de agua fría de reposición. El R290, o propano, puede utilizarse para calentar agua y espacios. La elección entre equipos de CO2 y R290 depende de las temperaturas del agua y de la fuente, las cargas térmicas y las limitaciones.

En la comparación numérica de 2025 de Conte y sus colegas, el diseño con fuente de aire y R290 obtuvo el mayor rendimiento estacional entre tres diseños de 15 kW en los escenarios combinados de calefacción de espacios y agua caliente de uso doméstico estudiados en Roma y Estrasburgo. Para el perfil diurno dedicado únicamente al agua caliente, se impuso el diseño con aire solar y R744. El clima y los horarios de demanda cambiaron la comparación.

En aplicaciones que combinan agua caliente de uso doméstico y calefacción de espacios, puede haber grandes diferencias entre las temperaturas de retorno de los radiadores y las del agua fría de reposición utilizada para producir agua caliente. Un circuito independiente o una configuración de calefacción alternativa puede ser más adecuada para cumplir esos requisitos. Una aplicación de chiller con bomba de calor también combina enfriamiento y calefacción, que deben evaluarse por separado en condiciones de operación.

¿Cuáles son las desventajas del CO2 como refrigerante?

Los sistemas de CO2 utilizan equipos diseñados para operar a alta presión, y muchos diseños para calentamiento de agua pierden eficiencia cuando aumenta la temperatura del agua de entrada. Estas características influyen en la selección de componentes, la facilidad de servicio y la disposición hidráulica. En una modernización con agua de retorno tibia, la desventaja práctica puede ser la necesidad de modificar el sistema para lograr una operación eficiente, más que la temperatura máxima que puede alcanzar el refrigerante.

Las comparaciones de descarbonización deben considerar la electricidad estacional, los combustibles fósiles sustituidos y el impacto climático del refrigerante. Un GWP bajo solo cubre una parte de lo que implica afirmar que un sistema es «respetuoso con el medioambiente». Los sistemas R32, los equipos de propano y los sistemas de CO2 con refrigerante natural requieren comparaciones específicas por modelo.

Costo instalado y consumo de energía: ejemplo de cálculo

El costo instalado de un sistema con bomba de calor incluye los equipos, el almacenamiento, los trabajos eléctricos, las tuberías, los sistemas de control y la puesta en marcha. Los costos de operación dependen del consumo eléctrico del sistema completo y de la tarifa eléctrica. El espacio requerido para el almacenamiento, la potencia disponible y las pérdidas de circulación pueden influir en los costos tanto como la selección del equipo.

Para un cálculo inicial aproximado, suponga una carga térmica para calentar agua de 100 kWh por día, antes de las pérdidas de almacenamiento y distribución. Compare valores promedio supuestos de COP de 2, 3 y 4 para esa misma carga y período. La electricidad necesaria para la carga indicada equivale a la energía térmica dividida entre el COP.

Con un precio fijo de electricidad adicional supuesto de $0.20/kWh, el caso intermedio cuesta $6.67 por día: 100 ÷ 3 × $0.20. Este es únicamente el costo de energía para la carga indicada. Para completar la estimación del edificio, añada las cargas térmicas adecuadas de almacenamiento y circulación, la electricidad para bombeo y el consumo del equipo de respaldo. Los cargos por demanda y por horario de consumo requieren un perfil eléctrico preciso.

Mantenga coherencia en los límites contables. El estudio de campo de Banks define el COP del sistema como el calor del agua suministrada más las pérdidas de recirculación, dividido entre el consumo eléctrico de la bomba de calor y el calentador de respaldo. Si el COP medido del sistema completo ya incluye la electricidad del respaldo y las bombas, volver a sumar esos consumos implica contarlos dos veces. El cálculo de eficiencia basado únicamente en el agua caliente útil dará un resultado distinto, incluso para la misma instalación.

El almacenamiento debe cubrir los picos de consumo de agua caliente mientras la bomba de calor recupera suficiente agua para el siguiente pico. Un edificio que utiliza 100 kWh de calor en un día puede consumir gran parte en poco tiempo; por eso, el consumo total de energía por sí solo no permite determinar el tamaño del tanque de almacenamiento de agua caliente ni la capacidad de calefacción.

El almacenamiento puede reducir la capacidad de la bomba de calor necesaria para cubrir la demanda instantánea de agua caliente. También permite que la bomba de calor funcione en horas de menor demanda, como describe Andrew Macaluso en el análisis de diseño de almacenamiento de HPAC. El beneficio en costos varía según la demanda del proyecto y la tarifa.

Para comparar el costo total de propiedad, utilice el mismo alcance en todas las ofertas: equipos y tanques, mejoras del servicio eléctrico, acceso para la instalación, medidas acústicas, puesta en marcha, mantenimiento y previsión de respaldo. En una modernización, los calentadores eléctricos de agua también pueden formar parte de la estrategia de respaldo. Compare las secuencias de operación de respaldo para la calefacción eléctrica y las calderas existentes. Incluya sus horas de operación en la estimación, aunque la bomba de calor principal consuma menos energía que la calefacción por resistencia.

Aplicaciones adecuadas para bombas de calor comerciales de CO2

El calentamiento de agua con bomba de calor es una opción práctica para hoteles y otros edificios con alta demanda de agua caliente de uso doméstico. Para que el equipo sea adecuado, el programa de temperaturas del agua debe coincidir con la configuración de almacenamiento. Las aplicaciones comerciales e industriales con agua de retorno tibia, almacenamiento muy limitado o cargas de enfriamiento simultáneas requieren una comparación más específica del sistema.

Unidades más pequeñas de CO2 suministraron calefacción central de agua en la rehabilitación de 60 unidades estudiada por Banks y sus colegas. Equipos diseñados para aplicaciones residenciales atendieron este edificio mediante una instalación diseñada a medida. Cada bomba de calor residencial de CO2 formaba parte de un sistema seleccionado y controlado según la carga térmica del edificio.

Las instalaciones que necesitan calefacción y enfriamiento simultáneos tienen otra oportunidad. En la investigación comercial de R744 de Petersen y sus colegas se estudió el enfriamiento útil junto con el calentamiento de agua. Un restaurante u otra instalación con refrigeración puede tener cargas térmicas coincidentes. La evaluación debe determinar cuándo es útil cada resultado y evitar contabilizar dos veces los beneficios del calor recuperado y del enfriamiento.

La calefacción de espacios y el agua caliente de uso doméstico suelen requerir distintas temperaturas de suministro y retorno. El agua de proceso puede requerir fluidos, condiciones de higiene o intercambiadores de calor diferentes, entre otros aspectos. Tenga en cuenta estos casos al analizar las aplicaciones de bombas de calor en la industria y el comercio. Las oportunidades de energía renovable, en particular el calor ambiental y el recuperado, dependen de los recursos disponibles y del programa de operación.

Requisitos de integración, servicio y adquisición

Una cotización útil para una solución de calentamiento de agua define en conjunto las condiciones de operación requeridas del equipo, los circuitos de agua, el almacenamiento, el suministro eléctrico y las responsabilidades de servicio. Entregue el mismo programa de datos al diseñador y al proveedor para facilitar una comparación justa.

La documentación técnica debe indicar las condiciones ambientales de operación, las temperaturas del agua de entrada y salida, la capacidad, la potencia eléctrica de entrada y el comportamiento relevante a carga parcial. Para planificar el servicio, confirme que haya especialistas locales en refrigerantes, acceso a repuestos y un procedimiento para responder ante la falla de una unidad.

Entre las referencias de valores nominales para calentadores de agua comerciales se encuentran ANSI/AHRI 1300-2013 (R2023) y 1301-2013 (R2023), incluidas en la página de valores nominales de calentadores de agua comerciales de AHRI. Los valores nominales pueden variar según las condiciones y el método de clasificación utilizado. Por ello, es importante verificar las certificaciones por separado. El diseño también debe incluir la protección de presión correspondiente, los requisitos eléctricos y los sistemas de control del agua del edificio.

La puesta en marcha debe verificar la secuencia normal de calefacción y la respuesta del sistema de respaldo. En la modernización de Banks, los puntos de ajuste modificados y un sensor de flujo defectuoso afectaron la operación del respaldo durante las interrupciones de las bombas de calor. Un calentador de reserva inactivo solo es útil si sus elementos de control, sensores e interfaces hidráulicas funcionan según lo previsto.

Preguntas frecuentes sobre bombas de calor de CO2

La guía de referencia es publicada por Kovenair. Los créditos de cada equipo, investigación y proyecto de campo corresponden a sus respectivos propietarios y autores. La tabla de electricidad se basa en los supuestos indicados y es independiente de los datos de desempeño del producto.