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Bomba de calor aerotérmica

Bomba de calor en el balcón del apartamento Una bomba de calor aerotérmica ( ASHP ), el tipo más común [ 1 ] de bomba de calor , puede absorber energía ( calor ) proveniente del...

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Bomba de calor en el balcón del apartamento

Una bomba de calor aerotérmica ( ASHP ), el tipo más común [ 1 ] de bomba de calor , puede absorber energía ( calor ) proveniente del aire ambiente frío fuera de un edificio y liberarla a una temperatura más alta para calentar el edificio, ya sea mediante aire caliente o agua caliente. La electricidad alimenta la bomba mecánica (compresor), y la energía eléctrica utilizada proporciona típicamente 3 o 4 veces más energía térmica bombeada que la calefacción Joule resistiva simple .

Las bombas de calor utilizan el mismo proceso de refrigeración por compresión de vapor y prácticamente el mismo equipo que un aire acondicionado , pero en sentido contrario, o mejor dicho, se puede intercambiar la fuente y el destino. Dado que el aire ambiente es accesible casi en todas partes, las bombas de calor aerotérmicas son el tipo más común y, al ser generalmente pequeñas, tienden a utilizarse para calentar casas o apartamentos individuales en lugar de bloques, distritos o procesos industriales. [ 2 ]

Las bombas de calor aire-aire proporcionan aire caliente o frío directamente a habitaciones individuales, pero generalmente no proporcionan agua caliente. Las bombas de calor aire-agua utilizan tuberías de agua y radiadores o calefacción por suelo radiante para calentar toda la casa y a menudo también se utilizan para proporcionar agua caliente sanitaria .

Una bomba de calor aerotérmica (ASHP) suele obtener 4  kWh de energía térmica a partir de 1  kWh de energía eléctrica, por lo que su coeficiente de rendimiento (COP) es de 4. Están optimizadas para temperaturas de flujo entre 30 y 40 °C (86 y 104 °F) , adecuadas para edificios con emisores de calor dimensionados para bajas temperaturas de flujo. Con pérdidas de eficiencia, una ASHP puede incluso proporcionar calefacción central completa con una temperatura de flujo de hasta 80 °C (176 °F) . [ 3 ]    

A partir de 2023Aproximadamente el 10% de la calefacción de edificios en todo el mundo proviene de bombas de calor aerotérmicas. Son la principal forma de eliminar gradualmente las calderas y hornos de gas de las viviendas, para evitar sus emisiones de gases de efecto invernadero . [ 4 ]

Las bombas de calor aerotérmicas se utilizan para transferir calor entre dos intercambiadores de calor: uno situado en el exterior del edificio, equipado con aletas por las que circula aire impulsado por un ventilador, y otro que calienta directamente el aire interior o calienta agua que luego se distribuye por el edificio mediante radiadores o calefacción por suelo radiante, liberando así el calor al interior. Estos dispositivos también pueden funcionar en modo de refrigeración, extrayendo calor a través del intercambiador de calor interno y expulsándolo al aire ambiente mediante el intercambiador de calor externo. Algunos modelos pueden utilizarse para calentar agua para el lavado, la cual se almacena en un depósito de agua caliente sanitaria. [ 5 ]

Las bombas de calor aerotérmicas son relativamente fáciles y económicas de instalar, por lo que son el tipo más utilizado. En climas templados, el coeficiente de rendimiento (COP) puede estar entre 2 y 5, mientras que a temperaturas inferiores a -8 °C (18 °F) una bomba de calor aerotérmica aún puede alcanzar un COP de 1 a 4. [ 6 ]  

Si bien las bombas de calor aerotérmicas más antiguas tenían un rendimiento relativamente bajo a bajas temperaturas y eran más adecuadas para climas cálidos, los modelos más nuevos con compresores de velocidad variable siguen siendo muy eficientes en condiciones de congelación, lo que permite su amplia adopción y ahorro de costos en lugares como Minnesota y Maine en los Estados Unidos. [ 7 ]

En Europa, el boicot al gas ruso ha acelerado la transición hacia energías alternativas. [ 8 ] Si 14 millones de hogares cambiaran a bombas de calor, el consumo podría reducirse en 13 mil millones de metros cúbicos. Las bombas de calor son hasta cinco veces más eficientes energéticamente que las calderas convencionales [ 9 ] , y en el Reino Unido, los sistemas de climatización (HVAC) son ahora aproximadamente un 27 por ciento más baratos de operar que las calderas de gas. [ 10 ]

Tecnología

Bomba de calor aerotérmica

El aire a cualquier temperatura natural contiene algo de calor. Una bomba de calor aerotérmica transfiere parte de este calor de un lugar a otro, por ejemplo, entre el exterior y el interior de un edificio.

Un sistema aire-aire puede diseñarse para transferir calor en ambas direcciones, para calentar el interior de un edificio en invierno y enfriarlo en verano. Se pueden utilizar conductos internos para distribuir el aire. [ 11 ] Un sistema aire-agua solo bombea calor hacia el interior y puede proporcionar calefacción y agua caliente. [ 12 ] La descripción que sigue se centra en su uso para calefacción interior.

La tecnología es similar a la de un refrigerador, un congelador o un aire acondicionado; la diferencia radica en la ubicación de los distintos componentes del sistema. Del mismo modo que las tuberías de la parte trasera de un refrigerador se calientan al enfriarse el interior, una bomba de calor aerotérmica calienta el interior de un edificio mientras enfría el aire exterior.

Los componentes principales de una bomba de calor aerotérmica de sistema dividido (llamada así porque tiene dos unidades, una instalada en el interior y otra en el exterior) son:

  • Una serpentina intercambiadora de calor del evaporador exterior , que extrae calor del aire ambiente.
  • Tuberías con fluido/gas refrigerante que conectan las unidades.
  • Una o más [ 13 ] serpentines intercambiadores de calor del condensador interior . Transfieren el calor al aire interior o a un sistema de calefacción interior como radiadores llenos de agua o circuitos de suelo radiante y un depósito de agua caliente sanitaria.

Menos comúnmente, una bomba de calor aerotérmica compacta (de una sola unidad o monobloque) tiene todo en el exterior, en una sola caja, con el aire caliente (o frío) enviado al interior a través de un conducto [ 14 ] Estos también se llaman monobloque; mantienen el propano inflamable fuera de la casa. [ 4 ] o a través de tuberías de agua.

Una bomba de calor aerotérmica puede proporcionar tres o cuatro veces (COP 4) más calor que un calentador eléctrico de resistencia para la misma cantidad de energía eléctrica. [ 15 ] La combustión de gas o petróleo emite dióxido de carbono y también NOx , que pueden ser perjudiciales para la salud. [ 16 ] Una bomba de calor aerotérmica en sí misma no emite dióxido de carbono, óxido de nitrógeno ni ningún otro tipo de gas, pero pueden producirse emisiones donde se genera la electricidad. Utiliza una pequeña cantidad de energía eléctrica para transferir (bombear) una cantidad significativamente mayor de energía térmica.

La mayoría de las bombas de calor aerotérmicas son reversibles y pueden calentar o enfriar edificios [ 17 ] y, en algunos casos, también proporcionar agua caliente sanitaria . El uso de una bomba de calor aire-agua para la refrigeración de viviendas ha sido criticado por no estar diseñada para ese fin y, por lo tanto, no ser lo suficientemente potente. [ 18 ]

Vista interna de la unidad exterior de una bomba de calor aerotérmica.
A: compartimento interior, B: compartimento exterior, I: aislamiento, 1: condensador, 2: válvula de expansión, 3: evaporador, 4: compresor

La calefacción y la refrigeración se logran bombeando un refrigerante a través de las serpentinas interior y exterior de la bomba de calor. Al igual que en un refrigerador, se utilizan un compresor , un condensador , una válvula de expansión y un evaporador para cambiar el estado del refrigerante entre líquido frío y gaseoso caliente.

Cuando el refrigerante líquido, a baja temperatura y presión, pasa por las serpentinas del intercambiador de calor exterior, el calor ambiental provoca que el líquido hierva (se convierta en gas o vapor ). La energía térmica del aire exterior se ha absorbido y almacenado en el refrigerante como calor latente . A continuación, el gas se comprime mediante una bomba eléctrica; esta compresión aumenta la temperatura del gas .

Dentro del edificio, el gas pasa a través de una válvula de presión hacia las serpentinas del intercambiador de calor. Allí, el gas refrigerante caliente se condensa y vuelve a convertirse en líquido, transfiriendo el calor latente almacenado al aire interior, al sistema de calefacción de agua o al sistema de agua caliente sanitaria. El aire interior o el agua de calefacción se bombea a través del intercambiador de calor mediante una bomba eléctrica o un ventilador.

El refrigerante líquido frío vuelve a entrar en las serpentinas del intercambiador de calor exterior para comenzar un nuevo ciclo. Cada ciclo suele durar unos minutos. [ 15 ]

La mayoría de las bombas de calor también pueden funcionar en modo de refrigeración, en el que el refrigerante frío se mueve a través de las bobinas interiores para enfriar el aire de la habitación.

A partir de 2024, la compresión de vapor es la única tecnología significativa en el mercado. [ 19 ]

Uso

Las bombas de calor aerotérmicas (ASHP) son el tipo más común de bomba de calor y, al ser generalmente más pequeñas, son más adecuadas para calentar viviendas individuales que bloques de apartamentos, distritos urbanos compactos o procesos industriales. [ 2 ] En centros urbanos densos, las redes de calefacción pueden ser mejores que las ASHP. [ 2 ] Las bombas de calor aerotérmicas se utilizan para proporcionar calefacción y refrigeración de espacios interiores incluso en climas fríos, y pueden utilizarse eficientemente para calentar agua en climas más templados. Una ventaja importante de algunas ASHP es que el mismo sistema puede utilizarse para calefacción en invierno y refrigeración en verano. Aunque el coste de instalación suele ser elevado, es menor que el de una bomba de calor geotérmica , ya que esta última requiere excavación para instalar su circuito subterráneo. La ventaja de una bomba de calor geotérmica es que tiene acceso a la capacidad de almacenamiento térmico del suelo, lo que le permite producir más calor con menos electricidad en condiciones de frío.

Las baterías domésticas pueden mitigar el riesgo de cortes de energía y, al igual que las bombas de calor aerotérmicas, se están volviendo más populares. [ 20 ] Algunas bombas de calor aerotérmicas se pueden acoplar a paneles solares como fuente de energía principal, con una red eléctrica convencional como fuente de respaldo.

Las soluciones de almacenamiento térmico que incorporan calefacción por resistencia pueden utilizarse junto con bombas de calor aerotérmicas (ASHP). El almacenamiento puede resultar más rentable si se dispone de tarifas eléctricas por franjas horarias. El calor se almacena en ladrillos cerámicos de alta densidad contenidos en una carcasa con aislamiento térmico; [ 21 ] los calentadores de almacenamiento son un ejemplo. Las ASHP también pueden combinarse con calefacción solar pasiva . La masa térmica (como el hormigón o las rocas) calentada por el calor solar pasivo puede ayudar a estabilizar las temperaturas interiores, absorbiendo calor durante el día y liberándolo por la noche, cuando las temperaturas exteriores son más bajas y la eficiencia de la bomba de calor es menor.

Sustitución de la calefacción de gas en viviendas existentes

Un buen aislamiento en el hogar es importante. [ 22 ] A partir de 2023Las bombas de calor aerotérmicas (ASHP) son más grandes que las calderas de gas y requieren más espacio exterior, por lo que el proceso es más complejo y puede resultar más costoso que si simplemente se retirara una caldera de gas e instalara una ASHP en su lugar. [ 4 ] [ 23 ] Si los costos operativos son importantes, elegir el tamaño adecuado es crucial, ya que una ASHP demasiado grande resultará más costosa de operar. [ 24 ]

Puede resultar más complicado adaptar los sistemas de calefacción convencionales que utilizan radiadores/ paneles radiantes , calefactores de zócalo de agua caliente o incluso conductos de menor diámetro, con calor procedente de una bomba de calor aerotérmica. Las temperaturas de salida más bajas de la bomba de calor implican que puede ser necesario sustituir los radiadores (y posiblemente las tuberías) por otros de mayor tamaño, o instalar en su lugar un sistema de calefacción por suelo radiante de baja temperatura . [ 25 ]

Como alternativa, se puede instalar una bomba de calor de alta temperatura y conservar los emisores de calor existentes; sin embargo, a partir de 2023Estas bombas de calor son más caras de comprar y de operar, por lo que pueden ser adecuadas únicamente para edificios difíciles de modificar o aislar, como algunas casas históricas grandes. [ 26 ]

Se afirma que las bombas de calor aerotérmicas son más saludables que la calefacción con combustibles fósiles, como los calentadores de gas, ya que mantienen una temperatura más uniforme y evitan el riesgo de humos nocivos. [ 22 ] Al filtrar el aire y reducir la humedad en climas cálidos y húmedos de verano, también se dice que reducen el polvo, los alérgenos y el moho , que representan un riesgo para la salud. [ 27 ]

En climas fríos

La unidad exterior de una bomba de calor aerotérmica que funciona en condiciones de congelación.

Generalmente no se recomienda el funcionamiento de las bombas de calor aerotérmicas normales por debajo de −10 °C. [ 28 ] Sin embargo, las bombas de calor aerotérmicas diseñadas específicamente para climas muy fríos (certificadas en EE. UU. bajo Energy Star [ 29 ] ) pueden extraer calor útil del aire ambiente a temperaturas tan bajas como −30 °C (−22 °F) , pero la calefacción por resistencia eléctrica puede ser más eficiente por debajo de −25 °C. [ 28 ] Esto es posible gracias al uso de compresores de velocidad variable, alimentados por inversores. [ 29 ] Aunque las bombas de calor aerotérmicas son menos eficientes que las bombas de calor geotérmicas bien instaladas en condiciones frías, las bombas de calor aerotérmicas tienen costos iniciales más bajos y pueden ser la opción más económica o práctica. [ 30 ] Un sistema híbrido , con una bomba de calor y una fuente de calor alternativa como una caldera de combustible fósil, puede ser adecuado si no es práctico aislar adecuadamente una casa grande. [ 31 ] Alternativamente, se pueden considerar varias bombas de calor o una bomba de calor de alta temperatura. [ 31 ]  

En ciertas condiciones climáticas, se forma condensación que luego se congela en las serpentinas del intercambiador de calor de la unidad exterior, reduciendo el flujo de aire a través de ellas. Para eliminar esta condensación, la unidad opera un ciclo de descongelación, cambiando al modo de refrigeración durante unos minutos y calentando las serpentinas hasta que el hielo se derrite. Las bombas de calor aire-agua utilizan el calor del agua circulante para este propósito, lo que resulta en una pequeña y probablemente indetectable caída de la temperatura del agua; [ 32 ] para los sistemas aire-aire, el calor se toma del aire del edificio o mediante un calentador eléctrico. [ 33 ] Algunos sistemas aire-aire simplemente detienen el funcionamiento de los ventiladores de ambas unidades y cambian al modo de refrigeración para que la unidad exterior vuelva a ser el condensador para que se caliente y se descongele.

Como se mencionó anteriormente, las bombas de calor aerotérmicas (ASHP) típicas tienen dificultades para funcionar de manera eficiente a bajas temperaturas. Las bombas de calor geotérmicas (GSHP), que transfieren calor hacia o desde el suelo mediante tuberías subterráneas llenas de fluido (intercambiadores de calor geotérmicos o GHE), [ 34 ] son ​​más eficientes, pero los costos de instalación de mano de obra y materiales son más altos. [ 35 ] Una bomba de calor aerotérmica geotérmica (GSAHP) —o GSHP de tipo agua a refrigerante [ 36 ] — presenta una alternativa viable, que integra elementos de las ASHP y las GSHP de agua a agua. Una GSAHP tiene tres componentes: un GHE (vertical u horizontal), una bomba de calor y una unidad fan coil (FCU).

La unidad de bomba de calor contiene un evaporador, un compresor, un condensador y una válvula de expansión. [ 37 ] La energía térmica se extrae del suelo mediante una solución anticongelante en el intercambiador de calor geotérmico (GHE), se transfiere al refrigerante de la bomba de calor y se comprime antes de ser suministrada a un intercambiador de calor refrigerante-aire. Posteriormente, un ventilador hace circular el aire caliente en el interior.

A diferencia de las bombas de calor geotérmicas convencionales, las bombas de calor geotérmicas de aire comprimido eliminan la necesidad de sistemas hidráulicos (por ejemplo, calefacción por suelo radiante o radiadores murales), utilizando ventiladores para distribuir el calor directamente al aire interior. Esto reduce los costos y la complejidad de la instalación, manteniendo las ventajas de eficiencia de las bombas de calor geotérmicas en climas fríos. Al extraer calor de temperaturas estables del suelo, las bombas de calor geotérmicas de aire comprimido son más eficientes que las bombas de calor aerotérmicas a bajas temperaturas y emiten menos gases de efecto invernadero. Los costos de instalación de las bombas de calor geotérmicas de aire comprimido se sitúan entre los de los sistemas de bombas de calor aerotérmicas y los de bombas de calor geotérmicas; si bien eliminan la necesidad de tuberías interiores, requieren perforaciones o excavaciones para el intercambiador de calor geotérmico.

El consumo de electricidad impulsa el impacto climático de los sistemas de bombas de calor. Las GSAHP demuestran un coeficiente de rendimiento (COP) aproximadamente un 35 % superior al de las ASHP en ciertas condiciones, [ 36 ] debido a las temperaturas estables del suelo que aprovechan. Además, la fase de operación representa el 84 % de sus impactos climáticos durante el ciclo de vida de una bomba de calor, [ 38 ] lo que destaca la importancia de la eficiencia (es decir, COP más altos) para reducir las emisiones. El potencial de calentamiento global (PCG) de las GSAHP es casi un 40 % inferior al de las ASHP, [ 35 ] lo que demuestra aún más sus ventajas ambientales en climas fríos. Esta ventaja de eficiencia es especialmente pronunciada durante el invierno, cuando la eficiencia de las ASHP suele disminuir. Las GSAHP consumen menos electricidad para calefacción, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero, particularmente en regiones con alta demanda de calefacción y redes eléctricas con alta intensidad de carbono.

Ruido

Una bomba de calor aerotérmica requiere una unidad exterior con componentes mecánicos móviles, incluidos ventiladores que generan ruido. Los dispositivos modernos ofrecen la posibilidad de programar el funcionamiento en modo silencioso con velocidad reducida del ventilador. Esto disminuye la potencia máxima de calefacción, pero puede aplicarse a temperaturas exteriores moderadas sin pérdida de eficiencia. Los cerramientos acústicos son otra opción para reducir el ruido en zonas sensibles. En edificios aislados, el funcionamiento puede pausarse por la noche sin una pérdida significativa de temperatura. Solo a bajas temperaturas, la protección antihielo obliga a su funcionamiento tras unas horas. La correcta ubicación también es importante. [ 39 ]

En Estados Unidos, el nivel de ruido nocturno permitido es de 45 decibelios ponderados A (dBA) . [ 40 ] En el Reino Unido, el límite se establece en 42  dB medidos desde el vecino más cercano [ 41 ] según la norma MCS 020 [ 42 ] o equivalente. [ 43 ] En Alemania, el límite en zonas residenciales es de 35, que generalmente se mide según la norma europea EN 12102. [ 44 ]

Otra característica de los intercambiadores de calor externos de las bombas de calor aerotérmicas (ASHP) es su necesidad de detener el ventilador de vez en cuando durante varios minutos para eliminar la escarcha que se acumula en la unidad exterior en modo calefacción. Después de eso, la bomba de calor vuelve a funcionar. Esta parte del ciclo de trabajo produce dos cambios bruscos en el ruido del ventilador. El efecto acústico de esta interrupción es especialmente potente en entornos silenciosos donde el ruido ambiental nocturno puede ser tan bajo como 0 a 10 dBA. Esto está incluido en la legislación francesa. Según el concepto francés de molestia por ruido, la "emergencia del ruido" es la diferencia entre el ruido ambiental que incluye el ruido molesto y el ruido ambiental sin el ruido molesto. [ 45 ] [ 46 ] Por el contrario, una bomba de calor geotérmica no necesita una unidad exterior con componentes mecánicos móviles.

Calificaciones de eficiencia

La eficiencia de las bombas de calor aerotérmicas se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP). Un COP de 4 significa que la bomba de calor produce 4 unidades de energía térmica por cada unidad de electricidad que consume. Dentro de los rangos de temperatura de −3 °C (27 °F) a 10 °C (50 °F) , el COP de muchas máquinas es bastante estable. Aproximadamente, el COP máximo teórico se calcula como: (temperatura interior deseada en °C + 273) ÷ (temperatura interior deseada en °C - temperatura exterior en °C). [ 47 ]    

En clima templado con una temperatura exterior de 10 °C (50 °F) , el COP de las bombas de calor de fuente de aire eficientes varía de 4 a 6. [ 48 ] Sin embargo, en un día frío de invierno, se requiere más trabajo para mover la misma cantidad de calor al interior que en un día templado. [ 49 ] El rendimiento de la bomba de calor está limitado por el ciclo de Carnot y se acercará a 1,0 a medida que aumenta la diferencia de temperatura exterior-interior, lo que para la mayoría de las bombas de calor de fuente de aire ocurre cuando las temperaturas exteriores se acercan a −18 °C (0 °F) . La construcción de bombas de calor que permite el dióxido de carbono como refrigerante puede tener un COP mayor que 2 incluso hasta −20 °C, lo que hace que la cifra de equilibrio baje a −30 °C (−22 °F) . Una bomba de calor de fuente de suelo tiene un cambio comparativamente menor en el COP a medida que cambian las temperaturas exteriores, porque el suelo del que extrae el calor tiene una temperatura más constante que el aire exterior.       

El diseño de una bomba de calor influye considerablemente en su eficiencia. Muchas bombas de calor aerotérmicas se diseñan principalmente como unidades de aire acondicionado , sobre todo para su uso en verano. Diseñar una bomba de calor específicamente para el intercambio de calor permite alcanzar un mayor coeficiente de rendimiento (COP) y una vida útil más prolongada. Los principales cambios radican en la escala y el tipo de compresor y evaporador.

La eficiencia de calefacción y refrigeración ajustada estacionalmente se expresa mediante el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) y el índice de eficiencia energética estacional (SEER), respectivamente. En Estados Unidos, la eficiencia mínima legal es de 14 o 15 SEER y 8,8 HSPF. [ 29 ]

Los compresores de velocidad variable son más eficientes porque a menudo pueden funcionar a menor velocidad y porque el aire pasa más lentamente, lo que permite que el agua tenga más tiempo para condensarse, resultando así más eficientes, ya que el aire más seco es más fácil de enfriar. Sin embargo, son más caros y es más probable que requieran mantenimiento o reemplazo. [ 27 ] El mantenimiento, como el cambio de filtros, puede mejorar el rendimiento entre un 10 % y un 25 %. [ 50 ]

Tipos de refrigerantes

Los refrigerantes puros se pueden dividir en sustancias orgánicas ( hidrocarburos (HC), clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC), hidrofluorocarbonos (HFC), hidrofluoroolefinas (HFO) y HCFO) y sustancias inorgánicas ( amoniaco ( NH3 ),dióxido de carbono(CO2 ), yagua(H2 O) [ 51 ] ). [ 52 ] Sus puntos de ebullición suelen estar por debajo de −25 °C. [ 53 ]

En los últimos 200 años, los estándares y requisitos para los nuevos refrigerantes han cambiado. Hoy en día, se requiere un bajo potencial de calentamiento global (PCG), además de los requisitos anteriores de seguridad, practicidad, compatibilidad de materiales, vida útil atmosférica adecuada y compatibilidad con productos de alta eficiencia. Para 2022, los dispositivos que utilizan refrigerantes con un PCG muy bajo tienen una pequeña cuota de mercado, pero se espera que desempeñen un papel cada vez más importante debido a las regulaciones aplicadas, [ 54 ] ya que la mayoría de los países han ratificado la Enmienda de Kigali para prohibir los HFC. [ 55 ] El isobutano (R600A) y el propano (R290) son menos dañinos para el medio ambiente que los hidrofluorocarbonos (HFC) convencionales y ya se utilizan en bombas de calor de fuente de aire. [ 56 ] El propano puede ser el más adecuado para bombas de calor de alta temperatura. [ 57 ] El amoníaco (R717) y el dióxido de carbono ( R-744 ) también tienen un PCG bajo. A partir de 2023, CO más pequeño2 Las bombas de calor no están ampliamente disponibles y la investigación y el desarrollo de las mismas continúan. [ 58 ] Un informe de 2024 indicó que los refrigerantes con GWP son vulnerables a nuevas restricciones internacionales. [ 59 ]

Hasta la década de 1990, las bombas de calor, junto con los refrigeradores y otros productos relacionados, utilizaban clorofluorocarbonos (CFC) como refrigerantes, los cuales causaban graves daños a la capa de ozono al ser liberados a la atmósfera . El uso de estos productos químicos fue prohibido o restringido severamente por el Protocolo de Montreal de agosto de 1987. [ 60 ]

Los sustitutos, incluidos el R-134a y el R-410A , son hidrofluorocarbonos (HFC) con propiedades termodinámicas similares con un potencial de agotamiento del ozono (PAO) insignificante pero tenían un PCA problemático. [ 61 ] Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. [ 62 ] [ 63 ] El dimetil éter (DME) también ganó popularidad como refrigerante en combinación con el R404a. [ 64 ] Los refrigerantes más recientes incluyen el difluorometano (R32) con un PCA más bajo, pero aún superior a 600.

Se espera que los dispositivos con refrigerante R-290 (propano) desempeñen un papel clave en el futuro. [ 57 ] [ 68 ] El PCA del propano a 100 años, de 0,02, es extremadamente bajo y es aproximadamente 7000 veces menor que el del R-32. Sin embargo, la inflamabilidad del propano requiere medidas de seguridad adicionales: las cargas máximas seguras se han establecido significativamente más bajas que para los refrigerantes de menor inflamabilidad (solo permiten aproximadamente 13,5 veces menos refrigerante en el sistema que el R-32). [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] Esto significa que el R-290 no es adecuado para todas las situaciones o ubicaciones. No obstante, para 2022, se ofrecía un número creciente de dispositivos con R-290 para uso doméstico, especialmente en Europa. [ 72 ] [ 73 ]

Sin embargo, los refrigerantes HFC siguen dominando el mercado. Recientes mandatos gubernamentales han propiciado la eliminación gradual del refrigerante R-22 . Se están promoviendo sustitutos como el R-32 y el R-410A como respetuosos con el medio ambiente, pero aún presentan un alto potencial de calentamiento global (PCG). [ 74 ] Una bomba de calor suele utilizar 3 kg de refrigerante. Con el R-32, esta cantidad aún tiene un impacto equivalente a 7 toneladas de CO₂  durante 20 años , lo que corresponde a dos años de calefacción con gas natural en un hogar promedio. Los refrigerantes con un alto potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) ya se han eliminado gradualmente. [ 75 ]

Impacto en la descarbonización y el suministro eléctrico

Las bombas de calor son clave para descarbonizar el uso de energía doméstica mediante la eliminación gradual de las calderas de gas . [ 23 ] [ 15 ] A partir de 2024, la Agencia Internacional de Energía (AIE) afirma que se podrían reducir 500 millones de toneladas de emisiones de CO 2 para 2030. [ 76 ]

A medida que los parques eólicos se utilizan cada vez más para suministrar electricidad a algunas redes, como la del Territorio del Yukón en Canadá , el aumento de la carga invernal coincide bien con el aumento de la generación invernal de las turbinas eólicas , y los días más tranquilos dan como resultado una menor carga de calefacción para la mayoría de las casas, incluso si la temperatura del aire es baja. [ 77 ]

Las bombas de calor podrían ayudar a estabilizar las redes mediante la gestión de la demanda . [ 78 ] A medida que aumenta la penetración de las bombas de calor, algunos países, como el Reino Unido, podrían necesitar incentivar a los hogares a utilizar sistemas de almacenamiento de energía térmica , como depósitos de agua con un excelente aislamiento. [ 79 ] En algunos países, como Australia, la integración de este almacenamiento térmico con paneles solares en los tejados también sería beneficiosa. [ 80 ]

Aunque las bombas de calor de mayor coste pueden ser más eficientes, un estudio de 2024 concluyó que para el Reino Unido "desde la perspectiva del sistema energético, en general es óptimo en términos de costes diseñar bombas de calor con un COP nominal en el rango de 2,8 a 3,2, que normalmente tiene un coste específico inferior a 650 £/kWth, e invertir simultáneamente en mayores capacidades de tecnologías de generación de energía renovable y baterías, en primera instancia, seguidas de OCGT y CCGT con CCS". [ 81 ]

Ciencias económicas

Costo

A partir de 2023Comprar e instalar una bomba de calor aerotérmica en una casa ya construida es caro si no hay subvenciones gubernamentales, pero el coste total durante su vida útil probablemente será menor o similar al de una caldera de gas y un aire acondicionado. [ 82 ] [ 83 ] Esto también suele ser cierto si no se requiere refrigeración, ya que la bomba de calor aerotérmica probablemente durará más si solo se utiliza para calefacción. [ 84 ] El coste total de una bomba de calor aerotérmica se verá afectado por el precio de la electricidad en comparación con el gas (donde esté disponible), y puede tardar entre dos y diez años en amortizarse. [ 82 ] La IEA recomienda que los gobiernos subvencionen el precio de compra de las bombas de calor residenciales, y algunos países lo hacen. [ 85 ]

Mercado

En Noruega, [ 86 ] Australia y Nueva Zelanda la mayor parte de la calefacción proviene de bombas de calor. En 2022, las bombas de calor superaron en ventas a la calefacción basada en combustibles fósiles en EE. UU. y Francia. [ 85 ] En el Reino Unido, las ventas anuales de bombas de calor han crecido constantemente en los últimos años, con 26.725 bombas de calor vendidas en 2018, una cifra que aumentó a 60.244 bombas de calor vendidas en 2023. [ 87 ] Las bombas de calor aerotérmicas pueden ser ayudadas a competir aumentando el precio del gas fósil en comparación con el de la electricidad y utilizando precios de electricidad flexibles adecuados . [ 23 ] En EE. UU., el tipo más común es el aire-aire. [ 88 ] A partir de 2023Más del 80% de las bombas de calor son de fuente de aire. [ 15 ] En 2023, la IEA solicitó mejores datos, especialmente sobre sistemas aire-aire. [ 85 ]

Mantenimiento y fiabilidad

Muchas de las necesidades de mantenimiento de las bombas de calor aerotérmicas reflejan las de las instalaciones convencionales de aire acondicionado y calefacción, como el reemplazo regular de los filtros de aire y la limpieza de las serpentinas del evaporador interior y del condensador exterior. Sin embargo, existen medidas de mantenimiento adicionales, exclusivas del funcionamiento de las bombas de calor aerotérmicas, que se refieren a los medios físicos mediante los cuales una bomba de calor extrae calor del aire exterior. [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] Dado que una bomba de calor que funciona en modo de refrigeración opera esencialmente igual que un sistema de aire acondicionado convencional, estas medidas se refieren principalmente al rendimiento de las bombas de calor aerotérmicas durante el invierno, especialmente en climas fríos. [ 92 ] [ 93 ]

En climas fríos, donde el compresor trabaja más para extraer calor del aire exterior, es fundamental evitar la acumulación de hielo y escarcha en la serpentina exterior para mantener el rendimiento de la bomba de calor aerotérmica. Esta acumulación actúa como una capa aislante y disminuye la tasa de intercambio de calor al bloquear el flujo continuo de aire sobre la serpentina exterior. [ 94 ] Para evitar este problema, es necesario mantener la serpentina exterior limpia de suciedad o mugre, ya que esto puede atrapar la humedad del aire, que se congela sobre la serpentina. [ 95 ] Además, es necesario mantener las aletas que rodean la serpentina del condensador y la rejilla de entrada de aire de la unidad exterior libres de cualquier residuo, como hojas, que podrían bloquear aún más el flujo de aire e impedir el intercambio de calor. [ 96 ] [ 97 ] Este mantenimiento ayuda a minimizar la necesidad de ciclos de descongelación frecuentes que ponen la bomba de calor en modo de refrigeración y envían refrigerante caliente a la serpentina del condensador para derretir el hielo acumulado. [ 98 ] Estos ciclos de descongelación pueden causar fluctuaciones de presión en las líneas de refrigerante que provocan fugas de refrigerante y disminuyen el rendimiento. [ 99 ] [ 100 ]

Cuando el rendimiento de la calefacción disminuye, una bomba de calor aerotérmica puede seguir siendo fiable gracias a su resistencia calefactora auxiliar, que proporciona una fuente adicional de calor mediante resistencia eléctrica para compensar las pérdidas de calor, aunque este proceso es significativamente menos eficiente. [ 101 ] [ 102 ]

Se cree que las bombas de calor aerotérmicas (ASHP) requieren menos mantenimiento que la calefacción con combustibles fósiles, y algunos afirman que son más fáciles de mantener que las bombas de calor geotérmicas debido a la dificultad de encontrar y reparar fugas subterráneas. Instalar una ASHP demasiado pequeña podría acortar su vida útil (pero una demasiado grande será menos eficiente). [ 103 ] Sin embargo, otros afirman que las calderas requieren menos mantenimiento que las ASHP. [ 104 ] Una encuesta de Consumer Reports reveló que "en promedio, es probable que alrededor de la mitad de las bombas de calor presenten problemas al final del octavo año de uso". [ 105 ]

Historia

Las técnicas modernas de refrigeración química se desarrollaron tras la propuesta del ciclo de Carnot en 1824. Jacob Perkins inventó una máquina para fabricar hielo que utilizaba éter en 1843, y Edmond Carré construyó un refrigerador que utilizaba agua y ácido sulfúrico en 1850. En Japón, Fusanosuke Kuhara , fundador de Hitachi, Ltd. , fabricó un aire acondicionado para su propio hogar utilizando CO₂ comprimido como refrigerante en 1917. [ 106 ]

En 1930, Thomas Midgley Jr. descubrió el diclorodifluorometano , un fluorocarbono clorado ( CFC ) conocido como freón . Los CFC reemplazaron rápidamente a los refrigerantes tradicionales, incluido el CO₂ ( que resultó difícil de comprimir para uso doméstico [ 107 ] ), en bombas de calor y refrigeradores . Pero a partir de la década de 1980, los CFC comenzaron a perder popularidad como refrigerantes al descubrirse sus efectos dañinos sobre la capa de ozono . Dos tipos alternativos de refrigerantes, los hidrofluorocarbonos ( HFC ) y los hidroclorofluorocarbonos ( HCFC ), también perdieron popularidad al ser identificados como gases de efecto invernadero (además, se descubrió que los HCFC eran más dañinos para la capa de ozono de lo que se pensaba inicialmente). El Convenio de Viena para la Protección de la Capa de Ozono , el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto exigen el abandono total de dichos refrigerantes para 2030.

En 1989, en medio de la preocupación internacional por los efectos de los clorofluorocarbonos e hidroclorofluorocarbonos en la capa de ozono, el científico Gustav Lorentzen y SINTEF patentaron un método para utilizar CO₂ como refrigerante en calefacción y refrigeración. Posteriormente, se llevaron a cabo investigaciones adicionales sobre la refrigeración con CO₂ en Shecco ( Sustainable HEating and Cooling with CO₂ ) en Bruselas , Bélgica , lo que condujo a un uso cada vez mayor de la tecnología de refrigeración con CO₂ en Europa. [ 107 ]

En 1993, la empresa japonesa Denso , en colaboración con Gustav Lorentzen, desarrolló un aire acondicionado para automóviles que utilizaba CO₂ como refrigerante. Presentaron el invento en la Conferencia del Instituto Internacional de Refrigeración/Gustav Lorentzen de junio de 1998. [ 108 ] Después de la conferencia, CRIEPI ( Instituto Central de Investigación de la Industria de Energía Eléctrica ) y TEPCO ( Compañía Eléctrica de Tokio ) se acercaron a Denso para desarrollar un prototipo de aire acondicionado que utilizara materiales refrigerantes naturales en lugar de freón. Juntos produjeron 30 unidades prototipo para una instalación experimental de un año de duración en lugares de todo Japón , desde el clima frío de Hokkaidō hasta el más cálido de Okinawa . Después de este exitoso estudio de viabilidad , Denso obtuvo una patente para comprimir refrigerante de CO₂ para su uso en una bomba de calor de SINTEF en septiembre de 2000. Durante los primeros años del siglo XXI, las bombas de calor de CO₂ , bajo la patente EcoCute , se popularizaron para viviendas de nueva construcción en Japón, pero tardaron más en popularizarse en otros lugares. [ 109 ]

Fabricación

La demanda de bombas de calor aumentó en el primer trimestre del siglo XXI en Estados Unidos y Europa, con subvenciones gubernamentales para incrementar la seguridad energética y la descarbonización . Los europeos suelen utilizar sistemas aire-agua (también llamados hidrónicos) que emplean radiadores, en lugar de los sistemas aire-aire más comunes en otros lugares. Los países asiáticos fabricaron tres cuartas partes de las bombas de calor a nivel mundial en 2021. [ 110 ]

Véase también

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  • https://energysavingtrust.org.uk/advice/air-to-air-heat-pumps/ Bombas de calor aire-aire Energy Saving Trust