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Articulo de referencia

Bomba de calor

Intercambiador de calor externo de una bomba de calor aerotérmica para calefacción y refrigeración. Unidad mural de tratamiento de aire interior con bomba de calor Mitsubishi El...

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Intercambiador de calor externo de una bomba de calor aerotérmica para calefacción y refrigeración.
Unidad mural de tratamiento de aire interior con bomba de calor Mitsubishi Electric

Una bomba de calor es un dispositivo que utiliza energía mecánica o térmica para transferir calor de un espacio a otro. La bomba de calor mecánica utiliza energía eléctrica para transferir calor por compresión . Específicamente, transfiere energía térmica mediante un ciclo de bomba de calor y refrigeración , enfriando un espacio y calentando el otro. [ 1 ]

En invierno, una bomba de calor puede transferir calor del exterior frío para calentar una casa; en verano, también puede diseñarse para transferir calor de la casa al exterior más cálido, funcionando de la misma manera que un aire acondicionado . Como transfiere calor en lugar de generarlo, es más eficiente energéticamente que la calefacción mediante caldera de gas . [ 2 ]

En una bomba de calor de compresión de vapor típica , un refrigerante gaseoso se comprime, aumentando así su presión y temperatura. Cuando la bomba funciona como calefactor en climas fríos, el gas calentado fluye hacia un intercambiador de calor en el interior del edificio, donde parte de su energía térmica se transfiere a dicho espacio, provocando que el gas se condense en líquido. El refrigerante licuado fluye hacia un intercambiador de calor en el exterior, donde la presión disminuye, el líquido se evapora y la temperatura del gas baja. Ahora, a una temperatura inferior a la del exterior que se utiliza como fuente de calor, puede volver a absorber energía de dicha fuente, comprimirse y repetir el ciclo.

Las bombas de calor aerotérmicas son los modelos más comunes, mientras que otros tipos incluyen bombas de calor geotérmicas , bombas de calor hidrotérmicas y bombas de calor de aire de escape . [ 3 ] Las bombas de calor a gran escala también se utilizan en sistemas de calefacción urbana . [ 4 ]

Debido a su alta eficiencia y a la creciente proporción de fuentes libres de combustibles fósiles en las redes eléctricas, las bombas de calor están desempeñando un papel en la mitigación del cambio climático . [ 5 ] [ 6 ] Con un coste de 1  kWh de electricidad, pueden transferir de 1 [ 7 ] a 4,5  kWh de energía térmica a un edificio. La huella de carbono de las bombas de calor depende de cómo se genera la electricidad , pero generalmente reducen las emisiones. [ 8 ] Las bombas de calor podrían satisfacer más del 80 % de las necesidades mundiales de calefacción de espacios y agua con una huella de carbono menor que las calderas de condensación alimentadas con gas ; sin embargo, en 2021 solo cubrieron el 10 %, [ 4 ] el boicot al gas natural ruso ha acelerado la necesidad de cambiar hacia alternativas; [ 9 ] se vendieron 3 millones de bombas de calor europeas en 2023. [ 10 ] Aunque las ventas han crecido significativamente, la adopción sigue siendo limitada. [ 11 ]

Operación

A: compartimento interior, B: compartimento exterior, I: aislamiento, 1: condensador, 2: válvula de expansión, 3: evaporador, 4: compresor

El calor fluye espontáneamente de una región de mayor temperatura a una de menor temperatura. El calor no fluye espontáneamente de menor a mayor temperatura, pero puede inducirse su flujo en esta dirección si se realiza trabajo . El trabajo necesario para transferir una cantidad determinada de calor suele ser mucho menor que la cantidad de calor recibida; esta es la razón por la que se utilizan bombas de calor en aplicaciones como el calentamiento de agua y el interior de edificios. [ 12 ]

La bomba de calor funciona mediante un ciclo de refrigeración reversible. El refrigerante líquido circula por serpentines en la unidad de refrigeración, donde absorbe calor y se convierte en gas. Este refrigerante gaseoso se bombea a más serpentines en la unidad de calefacción, donde un ventilador sopla aire sobre ellos para absorber el calor y licuar el refrigerante. La mayoría de las bombas de calor pueden transferir calor en ambas direcciones, lo que significa, por ejemplo, que pueden calentar y enfriar un espacio.

La cantidad de trabajo necesaria para proporcionar una cantidad de calor Q a un depósito de mayor temperatura, como el interior de un edificio, mientras se extrae calor de un depósito de menor temperatura, como el aire ambiente, es:W=QdoOPAG{\displaystyle W={\frac {Q}{\mathrm {COP} }}}dónde

  • W{\displaystyle W}es el trabajo realizado sobre el fluido de trabajo por el compresor de la bomba de calor.
  • Q{\displaystyle Q}es el calor liberado en el depósito de mayor temperatura.
  • doOPAG{\displaystyle \mathrm {COP} }es el coeficiente de rendimiento instantáneo de la bomba de calor a las temperaturas que prevalecen en los depósitos en un instante dado.

El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor es mayor que uno, por lo que el trabajo requerido es menor que el calor liberado, lo que la convierte en una forma de calefacción más eficiente que la calefacción por resistencia eléctrica . A medida que la temperatura del depósito de mayor temperatura aumenta en respuesta al calor que fluye hacia él, el coeficiente de rendimiento disminuye, lo que provoca que se requiera una mayor cantidad de trabajo por cada unidad de calor transferida. [ 12 ]

El coeficiente de rendimiento y el trabajo requerido por una bomba de calor se pueden calcular fácilmente considerando una bomba de calor ideal que opera en el ciclo de Carnot inverso :

  • Si el depósito de baja temperatura se encuentra a 270 K (−3 °C) y el interior del edificio a 280 K (7 °C), el coeficiente de rendimiento teórico máximo es 28. Esto significa que 1 julio de trabajo transfiere 28 julios de calor al interior. El julio de trabajo se transforma finalmente en energía térmica en el interior del edificio, y se transfieren 27 julios de calor desde el depósito de baja temperatura. [ nota 1 ]    
  • A medida que la temperatura del interior del edificio aumenta progresivamente hasta 300 K (27 °C), el coeficiente de rendimiento disminuye progresivamente hasta 10. Esto significa que cada julio de trabajo es responsable de transferir 9 julios de calor desde el depósito de baja temperatura hacia el edificio. De nuevo, 1 julio de trabajo se convierte finalmente en energía térmica en el interior del edificio, por lo que se añaden 10 julios de calor al interior del edificio. [ nota 2 ]  

Esta es la cantidad teórica de calor bombeado, pero en la práctica será menor por diversas razones, por ejemplo, si la unidad exterior se ha instalado en un lugar con flujo de aire insuficiente. Compartir más datos con los propietarios y los académicos —quizás a partir de contadores de calor— podría mejorar la eficiencia a largo plazo. [ 14 ]

Historia

Hitos:

1748
William Cullen demuestra la refrigeración artificial. [ 15 ]
1834
Jacob Perkins patenta un diseño para un refrigerador práctico que utiliza dimetil éter . [ 16 ]
1852
Lord Kelvin describe la teoría subyacente a las bombas de calor. [ 17 ]
1855–1857
Peter von Rittinger desarrolla y construye la primera bomba de calor. [ 18 ]
1877
Antes de 1875, se buscaba el uso de bombas de calor para la evaporación por compresión de vapor (proceso de bomba de calor abierta) en las salinas, debido a sus evidentes ventajas para el ahorro de madera y carbón. En 1857, Peter von Rittinger fue el primero en intentar implementar la idea de la compresión de vapor en una pequeña planta piloto. Presumiblemente inspirados por los experimentos de Rittinger en Ebensee, Antoine-Paul Piccard, de la Universidad de Lausana, y el ingeniero JH Weibel, de la empresa Weibel-Briquet en Ginebra, Suiza, construyeron el primer sistema de compresión de vapor realmente funcional del mundo con un compresor de pistón de dos etapas. En 1877, esta primera bomba de calor en Suiza se instaló en las salinas de Bex . [ 17 ] [ 19 ]
1928
Aurel Stodola construyó una bomba de calor de circuito cerrado (con agua procedente del lago Lemán ) que proporciona calefacción al ayuntamiento de Ginebra hasta el día de hoy. [ 20 ]
1937–1945
Durante la Primera Guerra Mundial , los precios del combustible eran altos en Suiza, pero contaba con abundante energía hidroeléctrica . [ 17 ] : 18 En el período anterior y especialmente durante la Segunda Guerra Mundial , cuando la neutral Suiza estaba rodeada de países gobernados por fascistas, la escasez de carbón volvió a ser alarmante. Gracias a su posición de liderazgo en tecnología energética, las empresas suizas Sulzer , Escher Wyss y Brown Boveri construyeron y pusieron en funcionamiento alrededor de 35 bombas de calor entre 1937 y 1945. Las principales fuentes de calor eran el agua de lagos, el agua de ríos, el agua subterránea y el calor residual. Son particularmente notables las seis bombas de calor históricas de la ciudad de Zúrich con potencias caloríficas de 100  kW a 6  MW. Un hito internacional es la bomba de calor construida por Escher Wyss en 1937/38 para reemplazar las estufas de leña en el Ayuntamiento de Zúrich. Para evitar el ruido y las vibraciones, se utilizó un compresor de pistón rotativo, de reciente desarrollo en aquel entonces. Esta histórica bomba de calor calentó el ayuntamiento durante 63 años, hasta 2001. Solo entonces fue reemplazada por una nueva bomba de calor más eficiente. [ 17 ]
1945
John Sumner, ingeniero eléctrico municipal de Norwich , instaló un sistema experimental de calefacción central alimentado por una bomba de calor geotérmica, utilizando un río cercano para calentar los nuevos edificios administrativos del Ayuntamiento. Tenía un índice de eficiencia estacional de 3,42, una potencia térmica media de 147  kW y una potencia máxima de 234  kW. [ 21 ]
1948
A Robert C. Webber se le atribuye el desarrollo y la construcción de la primera bomba de calor geotérmica. [ 22 ]
1951
Primera instalación a gran escala: el Royal Festival Hall de Londres se inaugura con una bomba de calor reversible de fuente de agua alimentada por gas de ciudad , suministrada por el río Támesis, para las necesidades de calefacción en invierno y refrigeración en verano. [ 21 ]
2019
Entra en vigor la enmienda de Kigali para la eliminación gradual de los refrigerantes nocivos.

Tipos

Fuente de aire

Bomba de calor en el balcón del apartamento

Una bomba de calor aerotérmica (ASHP), el tipo más común [ 23 ] 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. [ 24 ]

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). [ 25 ]

A partir de 2023, alrededor del 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 . [ 26 ]

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 del 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 se pueden utilizar para calentar agua para el lavado, la cual se almacena en un depósito de agua caliente sanitaria. [ 27 ]

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. [ 28 ]

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. [ 29 ]

En Europa, el boicot al gas ruso ha acelerado la transición hacia energías alternativas. [ 30 ] 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 [ 31 ] , 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. [ 32 ]

Fuente terrestre

Una bomba de calor en combinación con almacenamiento de calor y frío.

Una bomba de calor geotérmica (también conocida como bomba de calor terrestre) es un sistema de calefacción/refrigeración para edificios que utiliza una bomba de calor para transferir calor desde o hacia el suelo, aprovechando la relativa constancia de las temperaturas de la tierra a lo largo de las estaciones. Las bombas de calor geotérmicas (GSHP, por sus siglas en inglés) se encuentran entre las tecnologías más eficientes energéticamente para proporcionar climatización y calentamiento de agua , consumiendo menos energía que los calentadores eléctricos resistivos .

La eficiencia se expresa como un coeficiente de rendimiento (CoP), que suele estar entre 3 y 6, lo que significa que los dispositivos proporcionan entre 3 y 6 unidades de calor por cada unidad de electricidad consumida. Los costes de instalación son mayores que los de otros sistemas de calefacción debido a la necesidad de instalar circuitos subterráneos en grandes superficies o de perforar pozos. [ 33 ] Las bombas de calor aerotérmicas tienen costes de instalación más bajos, pero presentan un CoP menor en climas muy fríos o muy cálidos.

Ventilación con recuperación de calor

Las bombas de calor de aire de escape extraen el calor del aire de escape de un edificio y requieren ventilación mecánica . Existen dos clases:

  • Las bombas de calor aire-aire de escape transfieren calor al aire de admisión.
  • Las bombas de calor aire-agua de escape transfieren calor a un circuito de calefacción que incluye un depósito de agua caliente sanitaria.

Asistencia solar

Paneles solares híbridos fotovoltaicos-térmicos de una bomba de calor solar de área seleccionada (SAHP) en una instalación experimental en el Departamento de Energía del Politécnico de Milán.

Una bomba de calor asistida por energía solar (SAHP) es un sistema que combina una bomba de calor y paneles solares térmicos y/o paneles solares fotovoltaicos en un único sistema integrado. [ 34 ] Las bombas de calor requieren una fuente de calor de baja temperatura, que puede ser proporcionada por energía solar. Normalmente, estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir aire caliente o agua caliente . [ 35 ] En este sistema, el panel solar térmico actúa como la fuente de calor de baja temperatura, y el calor producido alimenta el evaporador de la bomba de calor. [ 36 ] El objetivo de este sistema es obtener un alto coeficiente de rendimiento ( COP ) y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa. Las bombas de calor de fuente de aire, que se precalientan mediante colectores solares de aire, tienen el beneficio adicional de un menor mantenimiento, ya que la unidad de ventilador exterior puede protegerse del duro entorno invernal.

La energía solar fotovoltaica puede alimentar eléctricamente la bomba de calor para permitir la electrificación de la calefacción de edificios [ 37 ] e invernaderos [ 38 ] . Estos sistemas permiten la electrificación [ 39 ] de la calefacción/refrigeración y normalmente están impulsados ​​por razones económicas [ 40 ] y objetivos de descarbonización [ 41 ] . Se ha demostrado que estos sistemas son económicos en Oriente Medio [ 42 ] , Norteamérica [ 43 ] , Asia [ 44 ] y Europa [ 45 ] .

Es posible utilizar cualquier tipo de sistema solar térmico con colectores de aire o líquido (láminas y tubos, paneles laminados, tubos de calor, placas térmicas) o híbridos ( monocristalinos / policristalinos , de película delgada ) en combinación con la bomba de calor. Sin embargo, se recomienda el uso de paneles híbridos, ya que permite cubrir parte de la demanda eléctrica de la bomba de calor y reduce el consumo de energía y, por consiguiente, los costes variables del sistema.

fuente de agua

Se está instalando un intercambiador de calor de fuente de agua.

Una bomba de calor geotérmica funciona de manera similar a una bomba de calor de fuente de agua, con la diferencia de que extrae calor de una masa de agua en lugar de la tierra. Sin embargo, la masa de agua debe ser lo suficientemente grande como para soportar el efecto de enfriamiento de la unidad sin congelarse ni causar efectos adversos a la fauna silvestre. [ 46 ] La bomba de calor geotérmica más grande se instaló en la ciudad danesa de Esbjerg en 2023. [ 47 ] [ 48 ]

Otros

Una bomba de calor termoacústica funciona como un motor térmico termoacústico sin refrigerante, pero en su lugar utiliza una onda estacionaria en una cámara sellada impulsada por un altavoz para lograr una diferencia de temperatura a través de la cámara. [ 49 ]

Las bombas de calor electrocalóricas son de estado sólido. [ 50 ]

Aplicaciones

La Agencia Internacional de Energía estimó que, a partir de 2021, las bombas de calor instaladas en edificios tienen una capacidad combinada de más de 1000 GW. [ 4 ] Se utilizan para calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y también pueden proporcionar agua caliente sanitaria y secado de ropa. [ 51 ] En varios países, los costos de compra están subvencionados por reembolsos al consumidor. [ 52 ]

Calefacción de espacios y, a veces, también refrigeración.

En aplicaciones de climatización (HVAC), una bomba de calor suele ser un dispositivo de refrigeración por compresión de vapor que incluye una válvula inversora e intercambiadores de calor optimizados para que se pueda invertir la dirección del flujo de calor (movimiento de energía térmica). La válvula inversora cambia la dirección del refrigerante durante el ciclo, por lo que la bomba de calor puede proporcionar calefacción o refrigeración a un edificio.

Debido a que los dos intercambiadores de calor, el condensador y el evaporador, deben intercambiar funciones, están optimizados para funcionar adecuadamente en ambos modos. Por lo tanto, el índice de eficiencia energética estacional (SEER en EE. UU.) o el índice de eficiencia energética estacional europeo de una bomba de calor reversible suele ser ligeramente inferior al de dos máquinas optimizadas por separado. Para que un equipo reciba la certificación Energy Star de EE. UU. , debe tener un índice de al menos 14 SEER. Las bombas con índices de 18 SEER o superiores se consideran de alta eficiencia. Las bombas de calor de mayor eficiencia fabricadas alcanzan hasta 24 SEER. [ 53 ]

El factor de rendimiento estacional de calefacción (en EE. UU.) o factor de rendimiento estacional (en Europa) son índices de rendimiento de calefacción. El SPF es la producción total de calor anual dividida por el consumo total de electricidad anual; en otras palabras, el coeficiente de rendimiento (COP) promedio de calefacción a lo largo del año. [ 54 ]

Bomba de calor montada en la ventana

Boceto 3D de una bomba de calor de ventana tipo silla de montar.

Las bombas de calor de ventana en Estados Unidos funcionan con tomas de corriente alterna estándar de 120 V y proporcionan calefacción, refrigeración y control de la humedad. Son más eficientes, con niveles de ruido más bajos, control de la condensación y menor tamaño que los aires acondicionados de ventana que solo enfrían. [ 55 ]

Calentamiento de agua

En aplicaciones de calentamiento de agua , las bombas de calor pueden utilizarse para calentar o precalentar agua para piscinas, hogares o industria. Generalmente, el calor se extrae del aire exterior y se transfiere a un depósito de agua interior. [ 56 ] [ 57 ]

Calefacción centralizada

Las bombas de calor de gran tamaño (de megavatios) se utilizan para la calefacción urbana . [ 58 ] Sin embargo, a partir de 2022, aproximadamente el 90% de la calefacción urbana proviene de combustibles fósiles . [ 59 ] En Europa, las bombas de calor representan apenas el 1% del suministro de calor en las redes de calefacción urbana, pero varios países tienen objetivos para descarbonizar sus redes entre 2030 y 2040. [ 4 ] Las posibles fuentes de calor para tales aplicaciones son aguas residuales , agua ambiente (por ejemplo, agua de mar, lago y río), calor residual industrial , energía geotérmica , gases de combustión , calor residual de la refrigeración urbana y calor del almacenamiento estacional de energía térmica solar . [ 60 ] Las bombas de calor a gran escala para calefacción urbana combinadas con almacenamiento de energía térmica ofrecen una alta flexibilidad para la integración de energía renovable variable . Por lo tanto, se consideran una tecnología clave para limitar el cambio climático mediante la eliminación gradual de los combustibles fósiles . [ 60 ] [ 61 ] También son un elemento crucial de los sistemas que pueden calentar y enfriar distritos . [ 62 ]

Calefacción industrial

Existe un gran potencial para reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas en la industria mediante la aplicación de bombas de calor industriales, por ejemplo, para el calor de proceso . [ 63 ] [ 64 ] Es posible obtener períodos de recuperación de la inversión cortos, de menos de 2 años, al tiempo que se logra una alta reducción de las emisiones de CO 2 (en algunos casos, más del 50%). [ 65 ] [ 66 ] Las bombas de calor industriales pueden calentar hasta 200  °C y pueden satisfacer las demandas de calefacción de muchas industrias ligeras . [ 67 ] [ 68 ] Solo en Europa,  se podrían instalar 15 GW de bombas de calor en 3000 instalaciones de las industrias papelera, alimentaria y química. [ 4 ]

Actuación

El rendimiento de una bomba de calor está determinado por su capacidad para extraer calor de un entorno de baja temperatura (la fuente ) y transferirlo a un entorno de mayor temperatura (el sumidero ). [ 69 ] El rendimiento varía según los detalles de la instalación, las diferencias de temperatura, la elevación del terreno, la ubicación, el recorrido de las tuberías, los caudales y el mantenimiento.

Las bombas de calor funcionan con la máxima eficiencia cuando la diferencia de temperatura entre la fuente y el disipador de calor es mínima. Por lo tanto, rinden mejor en climas templados y, en el caso de la calefacción, pierden eficiencia a medida que bajan las temperaturas exteriores. Las clasificaciones de rendimiento para el consumidor están diseñadas para reflejar estas variaciones en diferentes condiciones.

Las métricas de rendimiento comunes son el SEER (en modo de refrigeración) y el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) (utilizado comúnmente solo para calefacción), aunque el SCOP puede utilizarse para ambos modos de funcionamiento. [ 69 ] Valores mayores de cualquiera de las métricas indican un mejor rendimiento. [ 69 ] Al comparar el rendimiento de las bombas de calor, se prefiere el término rendimiento a eficiencia , y el coeficiente de rendimiento (COP) se utiliza para describir la relación entre el movimiento de calor útil y el trabajo de entrada. [ 69 ] Un calentador de resistencia eléctrica tiene un COP de 1,0, que es considerablemente inferior al de una bomba de calor bien diseñada, que normalmente tendrá un COP de 3 a 5 con una temperatura externa de 10  °C y una temperatura interna de 20  °C. Debido a que el suelo es una fuente de temperatura constante, una bomba de calor geotérmica no está sujeta a grandes fluctuaciones de temperatura y, por lo tanto, es el tipo de bomba de calor más eficiente energéticamente. [ 69 ]

El «coeficiente de rendimiento estacional» (SCOP) es una medida de la eficiencia energética agregada durante un período de un año que depende del clima regional. [ 69 ] Un marco para este cálculo se establece en el Reglamento (UE) n.º 813/2013 de la Comisión. [ 70 ]

En Estados Unidos, el rendimiento de una bomba de calor en modo de refrigeración se caracteriza por su índice de eficiencia energética (EER) o su índice de eficiencia energética estacional (SEER), ambos con unidades de BTU/(h·W) (tenga en cuenta que 1 BTU/(h·W)  = 0,293 W/W), y los valores más altos indican un mejor rendimiento.

Huella de carbono

La huella de carbono de las bombas de calor depende de su eficiencia individual y de cómo se produce la electricidad. Una mayor proporción de fuentes de energía bajas en carbono, como la eólica y la solar, reducirá el impacto en el clima.

En la mayoría de los entornos, las bombas de calor reducen las emisiones de CO₂ en comparación con los sistemas de calefacción alimentados por combustibles fósiles . [ 77 ] En regiones que representan el 70% del consumo energético mundial , el ahorro de emisiones de las bombas de calor en comparación con una caldera de gas de alta eficiencia es, en promedio, superior al 45% y alcanza el 80% en países con mezclas eléctricas más limpias. [ 4 ] Estos valores pueden mejorarse en 10 puntos porcentuales, respectivamente, con refrigerantes alternativos. En Estados Unidos, el 70% de las viviendas podrían reducir las emisiones instalando una bomba de calor. [ 78 ] [ 4 ] El creciente porcentaje de generación de electricidad renovable en muchos países aumentará el ahorro de emisiones de las bombas de calor con el tiempo. [ 4 ]

Los sistemas de calefacción alimentados con hidrógeno verde también generan bajas emisiones de carbono y podrían convertirse en competidores, pero son mucho menos eficientes debido a la pérdida de energía asociada con la conversión, el transporte y el uso del hidrógeno. Además, se prevé que no habrá suficiente hidrógeno verde disponible antes de las décadas de 2030 o 2040. [ 79 ] [ 80 ]

Operación

Figura 2: Diagrama de temperatura-entropía del ciclo de compresión de vapor.
Vista interna de la unidad exterior de una bomba de calor aerotérmica Ecodan.
Instalación de bomba de calor de gran tamaño para un edificio comercial.
Cableado y conexiones a una unidad de aire acondicionado central en el interior.

La compresión de vapor utiliza un refrigerante circulante como medio para absorber el calor de un espacio y comprimirlo, aumentando así su temperatura antes de liberarlo en otro espacio. El sistema normalmente consta de ocho componentes principales: un compresor , un depósito, una válvula inversora que selecciona entre el modo de calefacción y el de refrigeración, dos válvulas de expansión térmica (una para el modo de calefacción y otra para el de refrigeración) y dos intercambiadores de calor, uno asociado a la fuente/sumidero de calor externo y el otro al interior. En el modo de calefacción, el intercambiador de calor externo actúa como evaporador y el interno como condensador; en el modo de refrigeración, los roles se invierten.

El refrigerante circulante entra al compresor en estado termodinámico conocido como vapor saturado [ 81 ] y se comprime a una presión mayor, lo que resulta en una temperatura también mayor. El vapor caliente comprimido se encuentra entonces en estado termodinámico conocido como vapor sobrecalentado y está a una temperatura y presión a la que puede condensarse utilizando agua o aire de refrigeración que fluye a través de la serpentina o los tubos. En modo calefacción, este calor se utiliza para calentar el edificio mediante el intercambiador de calor interno, y en modo refrigeración, este calor se disipa a través del intercambiador de calor externo.

El refrigerante líquido condensado, en estado termodinámico conocido como líquido saturado , se dirige a continuación a través de una válvula de expansión donde experimenta una reducción brusca de presión. Esta reducción de presión provoca la evaporación instantánea adiabática de una parte del refrigerante líquido. El efecto de autorrefrigeración de la evaporación instantánea adiabática reduce la temperatura de la mezcla de refrigerante líquido y vapor hasta un punto inferior a la temperatura del espacio cerrado que se desea refrigerar.

La mezcla fría se dirige a través de la serpentina o los tubos del evaporador. Un ventilador hace circular el aire caliente del espacio cerrado a través de la serpentina o los tubos que transportan la mezcla fría de refrigerante líquido y vapor. Este aire caliente evapora la parte líquida de la mezcla fría. Al mismo tiempo, el aire circulante se enfría, reduciendo así la temperatura del espacio cerrado a la temperatura deseada. En el evaporador, el refrigerante circulante absorbe y elimina el calor, que posteriormente se disipa en el condensador y se transfiere a otro lugar mediante el agua o el aire utilizados en este último.

Para completar el ciclo de refrigeración , el vapor refrigerante procedente del evaporador vuelve a ser un vapor saturado y se redirige de nuevo al compresor.

Con el tiempo, el evaporador puede acumular hielo o agua debido a la humedad ambiental . El hielo se derrite mediante un ciclo de descongelación . Un intercambiador de calor interno se utiliza para calentar o enfriar el aire interior directamente, o bien para calentar agua que luego circula a través de radiadores o un sistema de calefacción por suelo radiante para calentar o enfriar el edificio.

Mejora del coeficiente de rendimiento mediante subenfriamiento

El aporte de calor puede mejorarse si el refrigerante entra al evaporador con un menor contenido de vapor. Esto se logra enfriando el refrigerante líquido tras la condensación. El refrigerante gaseoso se condensa en la superficie de intercambio de calor del condensador. Para que se produzca un flujo de calor desde el centro del flujo gaseoso hasta la pared del condensador, la temperatura del refrigerante líquido debe ser inferior a la temperatura de condensación.

Se puede lograr un subenfriamiento adicional mediante el intercambio de calor entre el refrigerante líquido relativamente caliente que sale del condensador y el vapor refrigerante más frío que emerge del evaporador. La diferencia de entalpía necesaria para el subenfriamiento provoca el sobrecalentamiento del vapor que ingresa al compresor. Cuando el aumento de enfriamiento logrado mediante el subenfriamiento es mayor que la potencia de entrada del compresor necesaria para superar las pérdidas de presión adicionales, dicho intercambio de calor mejora el coeficiente de rendimiento. [ 82 ]

Una desventaja del subenfriamiento de líquidos es que la diferencia entre la temperatura de condensación y la temperatura del disipador de calor debe ser mayor. Esto genera una diferencia de presión moderadamente alta entre la presión de condensación y la de evaporación, lo que incrementa la energía del compresor. [ 83 ]

Elección del refrigerante

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) [ 84 ] ). [ 85 ] Sus puntos de ebullición suelen estar por debajo de −25 °C. [ 86 ]

En los últimos 200 años, las normas y los requisitos para los nuevos refrigerantes han cambiado. Hoy en día, se exige un bajo potencial de calentamiento global (PCG), además de los requisitos previos 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, [ 87 ] ya que la mayoría de los países han ratificado la Enmienda de Kigali para prohibir los HFC. [ 88 ] 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 aerotérmicas . [ 89 ] El propano puede ser el más adecuado para bombas de calor de alta temperatura. [ 90 ] 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. [ 91 ] Un informe de 2024 indicó que los refrigerantes con GWP son vulnerables a nuevas restricciones internacionales. [ 92 ]

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. [ 93 ]

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. [ 94 ] Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. [ 95 ] [ 96 ] El dimetil éter (DME) también ganó popularidad como refrigerante en combinación con el R404a. [ 97 ] 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. [ 90 ] [ 101 ] 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). [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] 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. [ 105 ] [ 106 ]

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). [ 107 ] 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. [ 108 ]

incentivos gubernamentales

Los incentivos financieros tienen como objetivo proteger a los consumidores de los altos costos del gas fósil y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , [ 109 ] y actualmente están disponibles en más de 30 países de todo el mundo, cubriendo más del 70% de la demanda mundial de calefacción en 2021. [ 4 ]

Australia

Las empresas procesadoras de alimentos, cerveceras, productoras de alimentos para mascotas y otros consumidores industriales de energía están estudiando la viabilidad de utilizar energías renovables para generar calor de grado industrial. El calentamiento de procesos representa la mayor parte del consumo energético in situ en la industria manufacturera australiana, y las operaciones a bajas temperaturas, como la producción de alimentos, son especialmente idóneas para la transición a las energías renovables.

Para ayudar a los productores a comprender cómo podrían beneficiarse del cambio, la Agencia Australiana de Energías Renovables (ARENA) proporcionó financiación a la Alianza Australiana para la Productividad Energética (A2EP) para realizar estudios de prefactibilidad en varios emplazamientos de Australia, y los lugares más prometedores avanzaron a estudios de factibilidad completos. [ 110 ]

Con el fin de incentivar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental, los estados australianos de Victoria, Nueva Gales del Sur y Queensland han implementado programas de reembolso dirigidos a la modernización de los sistemas de agua caliente existentes. Estos programas fomentan específicamente la transición de los sistemas tradicionales de gas o electricidad a sistemas basados ​​en bombas de calor. [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]

Canadá

En 2022, la subvención Canada Greener Homes Grant [ 116 ] proporciona hasta $5000 para mejoras (incluidas ciertas bombas de calor) y $600 para evaluaciones de eficiencia energética.

Porcelana

Los subsidios a la compra en las zonas rurales durante la década de 2010 redujeron la quema de carbón para calefacción, que había estado causando problemas de salud. [ 117 ]

En el informe de 2024 de la Agencia Internacional de Energía (AIE), titulado «El futuro de las bombas de calor en China», se destaca que China, como el mayor mercado mundial de bombas de calor para edificios, desempeña un papel fundamental en la industria global. El país representa más de una cuarta parte de las ventas mundiales, con un aumento del 12 % solo en 2023, a pesar de una caída global de las ventas del 3 % ese mismo año. [ 118 ]

En China, las bombas de calor representan aproximadamente el 8 % de las ventas de equipos de calefacción para edificios en 2022, y se están convirtiendo cada vez más en la norma en las regiones central y sur, tanto para calefacción como para refrigeración. A pesar de su mayor coste inicial y su relativa falta de conocimiento, las bombas de calor son preferidas por su eficiencia energética, ya que consumen entre tres y cinco veces menos energía que los calentadores eléctricos o las soluciones basadas en combustibles fósiles. Actualmente, las bombas de calor descentralizadas instaladas en edificios chinos representan una cuarta parte de la capacidad instalada mundial, con una capacidad total que supera los 250 GW, lo que cubre alrededor del 4 % de las necesidades de calefacción en edificios. [ 118 ]

Según el Escenario de Compromisos Anunciados (APS), que se alinea con los objetivos de neutralidad de carbono de China, se espera que la capacidad alcance los 1400 GW para 2050, cubriendo el 25 % de las necesidades de calefacción. Este escenario requeriría la instalación de aproximadamente 100 GW de bombas de calor anualmente hasta 2050. Además, el sector de las bombas de calor en China emplea a más de 300 000 personas, y se espera que esta cifra se duplique para 2050, lo que subraya la importancia de la formación profesional para el crecimiento de la industria. Este sólido desarrollo en el mercado de las bombas de calor desempeñará un papel significativo en la reducción de las emisiones directas en edificios en un 30 % y en la reducción de las emisiones de PM2.5 provenientes de la calefacción residencial en casi un 80 % para 2030. [ 118 ] [ 119 ]

unión Europea

Para acelerar la tasa de despliegue de bombas de calor, la Comisión Europea lanzó la Plataforma Aceleradora de Bombas de Calor en noviembre de 2024. [ 120 ] Esta plataforma fomentará la colaboración entre expertos de la industria, responsables políticos y partes interesadas, el intercambio de buenas prácticas e ideas, y el debate conjunto de medidas que promuevan soluciones de calefacción sostenibles. [ 121 ]

Reino Unido

Hasta 2027, las bombas de calor fijas no tienen Impuesto al Valor Agregado (IVA). [ 122 ] A partir de 2022El coste de instalación de una bomba de calor es mayor que el de una caldera de gas, pero con la subvención gubernamental del "Plan de Actualización de Calderas" [ 123 ] y suponiendo que los costes de electricidad/gas se mantengan similares, sus costes a lo largo de su vida útil serían similares en promedio. [ 124 ] Sin embargo, el coste a lo largo de su vida útil en relación con una caldera de gas varía considerablemente dependiendo de varios factores, como la calidad de la instalación de la bomba de calor y la tarifa utilizada. [ 125 ] En 2024, Inglaterra fue criticada por permitir la construcción de nuevas viviendas con calderas de gas, a diferencia de otros condados donde esto ahora está prohibido. [ 126 ]

Estados Unidos

En 2022, se vendieron más bombas de calor en Estados Unidos que hornos de gas natural. [ 127 ]

Entre 2022 y 2025, el Programa de Reembolso para Viviendas Eléctricas de Alta Eficiencia otorgó subvenciones a las oficinas estatales de energía y a las tribus indígenas para establecer reembolsos estatales para viviendas eléctricas de alta eficiencia. Los hogares estadounidenses podían optar a un crédito fiscal para cubrir los costos de compra e instalación de una bomba de calor, hasta un máximo de 2000 dólares. A partir de 2023, los hogares de ingresos bajos y moderados podían optar a un reembolso para bombas de calor de hasta 8000 dólares. [ 128 ]

En noviembre de 2023, la administración del presidente estadounidense Joseph Biden asignó 169 millones de dólares de la Ley de Reducción de la Inflación para acelerar la producción de bombas de calor. Para ello, utilizó la Ley de Producción de Defensa de 1950 , en un intento declarado de promover la seguridad nacional. [ 129 ]

En 2025, el presidente estadounidense Donald Trump revirtió la decisión de utilizar la Ley de Producción de Defensa y no renovó algunos de los créditos fiscales utilizados para subsidiar las bombas de calor. [ 130 ] [ 131 ]

Notas

  1. ↑ Como se explica en Coeficiente de rendimiento TheoreticalMaxCOP = (desiredIndoorTempC + 273) ÷ (desiredIndoorTempC - outsideTempC) = (7+273) ÷ (7 - (-3)) = 280÷10 = 28 [ 13 ]
  2. ↑ Como se explica en Coeficiente de rendimiento TheoreticalMaxCOP = (desiredIndoorTempC + 273) ÷ (desiredIndoorTempC - outsideTempC) = (27+273) ÷ (27 - (-3)) = 300÷30 = 10 [ 13 ]

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Otro

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  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con bombas de calor en Wikimedia Commons