Calculadora COP Refrigeración y Bomba de Calor (Carnot Inverso)

Calcola COP ideale di Carnot, COP reale e EER equivalente di un impianto frigorifero o pompa di calore. Consumo annuo, costo elettrico e classe di efficienza ErP UE 626/2011. Gratis, in 5 lingue.

Parámetros de cálculo
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Qué es el COP

El COP (Coefficient of Performance), o coeficiente de rendimiento, es el número adimensional que mide la eficiencia de una máquina frigorífica o bomba de calor. Es la relación entre el calor útil producido (frío extraído en refrigeración, calor entregado en calefacción) y el trabajo eléctrico absorbido por el compresor. Un aire acondicionado con COP = 3,5 consume 1 kW de electricidad y quita 3,5 kW de calor del ambiente. Una bomba de calor con COP = 4 entrega 4 kW por cada kW eléctrico — cuatro veces más eficiente que un radiador de resistencia (COP = 1). El COP es la métrica clave en diseño HVAC, certificación energética de edificios (EPBD, RITE, CTE), cámaras frigoríficas y etiquetado ErP UE 626/2011.

La fórmula de Carnot inverso: el límite teórico

Sadi Carnot (1824) demostró que entre dos focos a temperaturas T_c (frío) y T_h (caliente) existe un límite físico máximo de eficiencia para mover calor, independiente del fluido o del ciclo termodinámico:

COP_carnot (refrig.) = T_c / (T_h − T_c)
COP_carnot (calef.) = T_h / (T_h − T_c) = 1 + COP_refrig.

Las temperaturas se usan en kelvin (K = °C + 273,15), no en Celsius. Ejemplo: chiller con evaporador a 7 °C (T_c = 280,15 K) y condensador a 45 °C (T_h = 318,15 K), ΔT = 38 K → COP_carnot_frío = 280,15/38 = 7,37. Ninguna máquina real puede superar este valor. La relación η = COP_real / COP_carnot se llama "eficiencia de Carnot" y está entre 0,3 y 0,7 en dispositivos comerciales; con η = 0,5 el COP real es ~3,7. El COP de calefacción siempre es > 1 (por Q_h = Q_c + W), motivo por el que las bombas de calor son tan eficientes en invierno.

COP vs EER vs SEER vs SCOP

Muchos términos se superponen, aclaremos la jerarquía:

  • COP de Carnot (ideal): límite teórico absoluto, depende solo de T_c y T_h. Inalcanzable en la práctica.
  • COP real (nominal): valor medido en condiciones estándar de ensayo (T exterior, T interior, caudal aire/agua fijos). Ej. para split: EN 14511 A35/W7.
  • EER (Energy Efficiency Ratio): sinónimo de COP en refrigeración; en EE.UU. en Btu/(W·h): EER = COP·3,412.
  • SEER (Seasonal EER): valor medio ponderado durante toda la temporada estival, considerando cargas parciales y temperaturas variables. Introducido por EN 14825 en 2013 para ErP.
  • SCOP (Seasonal COP): equivalente estacional para calefacción, calculado por zona climática (media/cálida/fría).

Esta calculadora da el COP puntual: válido para análisis termodinámico en un punto de funcionamiento fijo. Para conformidad normativa y comparación de productos usar SEER/SCOP de la etiqueta energética.

Ciclo real: por qué η_carnot < 1

Un ciclo real de compresión de vapor tiene η_carnot < 1 por cinco razones principales:

  • Compresión no isoentrópica: el compresor real tiene un rendimiento isoentrópico del 65-85 %; la irreversibilidad genera entropía.
  • Pérdidas de carga: rozamientos en tuberías e intercambiadores causan caídas de 3-10 kPa que el compresor debe vencer.
  • ΔT en intercambiadores: la transferencia de calor requiere diferencia de temperatura, típicamente 5-10 K en evaporador y condensador. El ciclo "interno" opera entre T_c − 5 y T_h + 5, reduciendo el COP.
  • Subenfriamiento y sobrecalentamiento: necesarios para seguridad (evitar líquido en el compresor) pero introducen irreversibilidad.
  • Consumos auxiliares: bombas de circulación, ventiladores de condensador, control electrónico, 5-15 % del consumo total.

Valores típicos de η_carnot: split residencial 0,35-0,45; chiller comercial expansión directa 0,40-0,55; chiller centrífugo grande 0,55-0,70; bomba de calor aire-agua 0,40-0,50; bomba geotérmica 0,55-0,65 (gracias al ΔT estable del terreno).

Clases de eficiencia ErP y etiqueta UE

El reglamento UE 626/2011 y sus enmiendas clasifican los aires acondicionados y bombas de calor de A+++ (máxima eficiencia) a D (mínima) según SEER y SCOP. Umbrales orientativos (SEER estival para splits):

  • A+++: SEER ≥ 8,50
  • A++: 6,10 ≤ SEER < 8,50
  • A+: 5,60 ≤ SEER < 6,10
  • A: 5,10 ≤ SEER < 5,60
  • B: 4,60 ≤ SEER < 5,10
  • C: 4,10 ≤ SEER < 4,60
  • D: 3,60 ≤ SEER < 4,10

SCOP invernal (zona climática media): A+++ ≥ 5,10; A++ 4,60-5,10; A+ 4,00-4,60. La calculadora devuelve una clase indicativa sobre el COP puntual calculado. Recordar que el SEER estacional es típicamente ~2× el COP nominal porque incluye largos períodos a carga parcial donde la máquina es más eficiente que en pico.

Aplicaciones: frigo, aire acondicionado, bomba de calor

  • Frigorífico doméstico: T_evap ≈ −20 °C, T_cond ≈ 40 °C, COP típico 1,5-2,5. Eficiencia baja por ΔT muy amplio (60 K).
  • Congelador comercial: T_evap ≈ −30 °C, T_cond ≈ 40 °C, COP 1,2-1,8.
  • Split residencial: T_evap ≈ 7 °C, T_cond ≈ 45 °C en verano; COP frío 3,0-4,5; SEER 5-8. Muy buena eficiencia gracias a ΔT modesto (~38 K).
  • Chiller agua-agua industrial: T_evap ≈ 7 °C, T_cond ≈ 35 °C (torre evaporativa); COP 4-6.
  • Bomba de calor aire-aire: T_evap ≈ 2-7 °C (exterior), T_cond ≈ 35-55 °C (interior); SCOP 3-4.
  • Bomba geotérmica: T_evap constante ≈ 10-15 °C todo el año; SCOP 4-5, la más eficiente.
  • Chiller centrífugo grande (oficinas, centros comerciales): COP 5-7.

El coste eléctrico anual depende mucho de las horas de funcionamiento: 800-1500 h/año verano y 1500-2500 h/año invierno para residencial, más para comercial/industrial.

Cómo mejorar el COP de una instalación existente

  1. Reducir ΔT entre foco y usuario: impulsión a 35 °C en vez de 55 °C aumenta el COP un 30-40 %. Sistemas radiantes (suelo) ideales para bomba de calor.
  2. Aislar la envolvente: reduce la Q_útil requerida.
  3. Mantenimiento intercambiadores: batería exterior de aire acondicionado obstruida reduce COP 15-25 %; limpieza anual.
  4. Carga correcta de refrigerante: infracarga o sobrecarga reduce COP 10-20 %. Solo técnicos certificados F-Gas.
  5. Set-points razonables: 26 °C verano en vez de 22 °C reduce ΔT y mejora COP 20 %; 20 °C invierno en vez de 24 °C.
  6. Modulación inverter: on/off siempre al 100%; inverter modula 20-100% y es más eficiente a cargas parciales (SEER 8-9 vs 5-6).

Cómo usar la calculadora

Elige la modalidad (1 = refrigeración estival, 2 = calefacción invernal con bomba de calor). Introduce la temperatura del foco frío en °C (refrig: temperatura al evaporador, típicamente 7 °C chiller o 10-15 °C split; calef: temperatura exterior, 2-7 °C invierno). La temperatura del foco caliente en °C (refrig: ambiente donde el condensador cede calor, 35-45 °C; calef: temperatura de impulsión, 35 °C suelo radiante o 55 °C radiadores). La eficiencia de Carnot (0,4-0,5 doméstico, 0,55-0,65 industrial), la potencia térmica útil en kW (de la hoja técnica), las horas de funcionamiento anuales y el coste eléctrico. La calculadora devuelve COP ideal, COP real, EER equivalente, potencia eléctrica absorbida, consumo y coste anual, y una clase de eficiencia indicativa ErP.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el COP de calefacción siempre es mayor que 1?

Por el primer principio de la termodinámica: el calor entregado al foco caliente Q_h es igual a la suma del calor tomado del foco frío Q_c y del trabajo eléctrico W del compresor, es decir Q_h = Q_c + W. Dividiendo por W: COP_H = Q_h/W = Q_c/W + 1 = COP_C + 1. Como Q_c y W son ambos positivos, COP_H > 1 siempre. Es el "milagro" de las bombas de calor: toman energía gratis del exterior (aire, tierra, agua) y la usan para aumentar la salida térmica. Un radiador eléctrico tiene COP = 1 exacto.

¿Por qué se usan kelvin y no Celsius?

Porque la fórmula de Carnot deriva del segundo principio de la termodinámica, que se expresa en términos de razón de temperaturas absolutas. Usar °C da resultados matemáticamente incorrectos: con T_c = 0 °C el denominador T_c del COP frío daría cero, mientras que con T_c = 273 K el COP es finito. Los kelvin siempre se usan en cálculo termodinámico; la calculadora hace automáticamente la conversión K = °C + 273,15.

¿Qué diferencia hay entre EER, COP, SEER, SCOP?

EER (Energy Efficiency Ratio): eficiencia en refrigeración en un punto nominal (en EE.UU. Btu/W·h, en Europa a menudo W/W = COP). COP: eficiencia en calefacción, siempre adimensional. SEER (Seasonal EER): eficiencia media estacional en refrigeración, considera cargas parciales y temperaturas variables; introducido por ErP 2013. SCOP: equivalente estacional para calefacción invernal. Las clases A+++/A/D usan SEER y SCOP, no EER/COP puntuales. Un split con COP nominal 3,5 puede tener SEER 7,0 gracias a fases de carga parcial largas donde el inverter es más eficiente.

¿Qué valor realista de eficiencia de Carnot?

Depende mucho de la tecnología. Para splits residenciales η_carnot = 0,35-0,45. Para chillers comerciales con compresores scroll: 0,45-0,55. Para chillers centrífugos grandes (oficinas, hospitales): 0,55-0,70. Para bombas de calor aire-agua últimas generación: 0,45-0,55. Para bombas geotérmicas: 0,55-0,65 (benefician del ΔT estable del terreno). El default η ≈ 0,5 es razonable para un equipo nuevo de calidad media. Para un chiller muy viejo o mal mantenido bajar a 0,30-0,35.

¿Por qué el COP de un frigorífico es tan bajo (1,5-2,5)?

Porque el ΔT entre foco frío (interior de la cámara, ej. −20 °C = 253 K) y foco caliente (aire de cocina ~40 °C = 313 K) es muy amplio: ΔT = 60 K. El COP de Carnot es 253/60 ≈ 4,2, y con η = 0,4 el COP real ≈ 1,7. Un split tiene ΔT ≈ 38 K (evap 7 °C, cond 45 °C) y COP de Carnot 7,4 → COP real ~3,5. Regla general: a menor ΔT, mayor COP. Los congeladores a −30 °C tienen COPs aún más bajos (1,2-1,8) precisamente porque ΔT sube a 70 K.

¿Las bombas de calor funcionan aún con temperaturas exteriores muy bajas?

Sí, pero con COP progresivamente reducido. Pasando de +7 °C a −10 °C exteriores, el COP de una bomba aire-agua típica baja de 4,5 a ~2,5. A −15 °C se acerca a 2,0 y suele necesitar integración con resistencia eléctrica. En climas muy fríos se usan bombas de doble inyección (EVI) que mantienen COP > 2,5 hasta −25 °C, o se sustituye el aire por el terreno (geotermia), que se mantiene a ~10 °C todo el año con SCOP 4-5.

¿Con qué precisión calcula la calculadora consumo y coste?

La estimación es de orden de magnitud y sirve para comparar soluciones. Las variables con mayor incertidumbre son: (1) COP real en condiciones operativas variables (el cálculo puntual no lo captura, se necesitaría SEER/SCOP); (2) horas de funcionamiento reales, según hábitos y clima; (3) tarifa eléctrica real. Para una estimación seria del payback, pedir una simulación dinámica con TRNSYS o EnergyPlus, o auditoría energética según UNE-EN 16247.

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