Una bomba de calor de fuente de aire ( ASHP ) es una bomba de calor que puede absorber calor del aire exterior de un edificio y liberarlo en el interior; utiliza el mismo proceso de refrigeración por compresión de vapor y prácticamente el mismo equipo que un acondicionador de aire , pero en la dirección opuesta. Las ASHP son el tipo más común de bomba de calor y, por lo general, al ser más pequeñas, tienden a usarse para calentar casas o departamentos individuales en lugar de bloques, distritos o procesos industriales. [1]
Las bombas de calor aire-aire proporcionan aire caliente o frío directamente a las habitaciones, pero no suelen proporcionar agua caliente. Las bombas de calor aire-agua utilizan 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 de aire acondicionado puede obtener normalmente 4 kWh de energía térmica a partir de 1 kWh de energía eléctrica. Están optimizadas para temperaturas de flujo de entre 30 y 40 °C (86 y 104 °F), lo que las hace adecuadas para edificios con emisores de calor dimensionados para bajas temperaturas de flujo. Con pérdidas de eficiencia, una bomba de calor de aire acondicionado puede incluso proporcionar calefacción central completa con una temperatura de flujo de hasta 80 °C (176 °F). [2]
A partir de 2023, [actualizar]aproximadamente el 10 % de la calefacción de los edificios en todo el mundo se realizará mediante bombas de calor de aire a presión (ASHP). Son la principal forma de eliminar gradualmente las calderas de gas (también conocidas como "calderas") de las casas, para evitar sus emisiones de gases de efecto invernadero . [3]
Las bombas de calor de fuente de aire se utilizan para mover el calor entre dos intercambiadores de calor, uno fuera del edificio que está equipado con aletas a través de las cuales se fuerza el aire usando un ventilador y el otro que calienta directamente el aire dentro del edificio o calienta el agua que luego se hace circular por el edificio a través de radiadores o calefacción por suelo radiante que libera el calor al edificio. Estos dispositivos también pueden funcionar en un modo de refrigeración donde extraen calor a través del intercambiador de calor interno y lo expulsan al aire ambiente usando el intercambiador de calor externo. Algunos se pueden utilizar para calentar agua para lavar que se almacena en un tanque de agua caliente sanitaria. [4]
Las bombas de calor de fuente de aire 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 de fuente de aire puede alcanzar un COP de 1 a 4. [5]
Si bien las bombas de calor de fuente de aire más antiguas tenían un rendimiento relativamente deficiente 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 congelamiento, lo que permite una amplia adopción y ahorros de costos en lugares como Minnesota y Maine en los Estados Unidos. [6]
El aire a cualquier temperatura natural contiene algo de calor. Una bomba de calor de fuente de aire 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 cualquier dirección, para calentar o enfriar el interior del edificio en invierno y verano respectivamente. Se pueden utilizar conductos internos para distribuir el aire. [7] Un sistema aire-agua solo bombea calor hacia el interior y puede proporcionar calefacción y agua caliente. [8] Para simplificar, la descripción a continuación se centra en el uso para calefacción interior.
La tecnología es similar a la de un frigorífico, un congelador o un aparato de aire acondicionado: el efecto es diferente debido a la ubicación de los distintos componentes del sistema. Del mismo modo que las tuberías de la parte trasera de un frigorífico se calientan a medida que el interior se enfría, una bomba de calor de aire caliente calienta el interior de un edificio mientras enfría el aire exterior.
Los componentes principales de una bomba de calor de fuente de aire con sistema dividido (llamado split porque hay serpentines internos y externos) son:
Con menos frecuencia, una bomba de calor de aire compacta tiene todo afuera y el aire caliente (o frío) se envía al interior a través de un conducto. [10] También se denominan monobloques y son útiles para mantener el propano inflamable fuera de la casa. [3]
Una bomba de calor de aire a presión puede proporcionar tres o cuatro veces más calor que un calentador de resistencia eléctrica utilizando la misma cantidad de electricidad. [11] La quema de gas o petróleo emitirá dióxido de carbono y también NOx , que pueden ser perjudiciales para la salud. [12] Una bomba de calor de fuente de aire no emite dióxido de carbono, óxido de nitrógeno ni ningún otro tipo de gas. Utiliza una pequeña cantidad de electricidad para transferir una gran cantidad de calor.
La mayoría de las bombas de calor de aire a agua son reversibles y pueden calentar o enfriar edificios [13] y, en algunos casos, también proporcionar agua caliente sanitaria . El uso de una bomba de calor de aire a agua para enfriar viviendas ha sido criticado [14] .
La calefacción y la refrigeración se realizan bombeando un refrigerante a través de los serpentines 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 los estados del refrigerante entre el estado líquido más frío y el estado gaseoso más caliente .
Cuando el refrigerante líquido a baja temperatura y baja presión pasa por las bobinas del intercambiador de calor exterior, el calor ambiental hace que el líquido hierva (se convierta en gas o vapor ). La energía térmica del aire exterior ha sido absorbida y almacenada en el refrigerante como calor latente . Luego, el gas se comprime utilizando una bomba eléctrica; la compresión aumenta la temperatura del gas .
Dentro del edificio, el gas pasa a través de una válvula de presión hacia los serpentines del intercambiador de calor. Allí, el gas refrigerante caliente se condensa nuevamente en estado líquido y transfiere el calor latente almacenado al aire interior, al sistema de calefacción de agua o al sistema de agua caliente. El aire interior o el agua de calefacción se bombean a través del intercambiador de calor mediante una bomba eléctrica o un ventilador .
A continuación, el refrigerante líquido frío vuelve a entrar en las bobinas del intercambiador de calor exterior para iniciar un nuevo ciclo. Cada ciclo suele durar unos minutos. [11]
La mayoría de las bombas de calor también pueden funcionar en modo de enfriamiento, donde el refrigerante frío se mueve a través de las bobinas interiores para enfriar el aire de la habitación.
A partir de 2024, la tecnología distinta a la compresión de vapor será insignificante en el mercado. [15]
Las bombas de calor de aire a presión son el tipo más común de bomba de calor y, por lo general, al ser más pequeñas, suelen ser más adecuadas para calentar casas individuales en lugar de bloques de apartamentos, distritos urbanos compactos o procesos industriales. [1] En los centros urbanos densos, las redes de calor pueden ser mejores que las bombas de calor de aire a presión. [1] Las bombas de calor de fuente de aire se utilizan para proporcionar calefacción y refrigeración de espacios interiores incluso en climas más fríos, y se pueden utilizar de manera eficiente para calentar agua en climas más suaves. Una ventaja importante de algunas bombas de calor de aire a presión es que el mismo sistema se puede utilizar para calefacción en invierno y refrigeración en verano. Aunque el costo de instalación es generalmente alto, es menor que el costo de una bomba de calor de fuente terrestre , porque una bomba de calor de fuente terrestre requiere excavación para instalar su circuito de tierra. La ventaja de una bomba de calor de fuente terrestre es que tiene acceso a la capacidad de almacenamiento térmico del suelo, lo que le permite producir más calor por 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 de aire acondicionado, se están volviendo más populares. [16] Algunas bombas de calor de aire acondicionado se pueden acoplar a paneles solares como fuente de energía primaria, con una red eléctrica convencional como fuente de respaldo. [ cita requerida ]
Las soluciones de almacenamiento térmico que incorporan calefacción por resistencia se pueden utilizar junto con las bombas de calor de aire acondicionado. El almacenamiento puede ser más rentable si se dispone de tarifas de electricidad por tiempo de uso. El calor se almacena en ladrillos cerámicos de alta densidad contenidos en un recinto con aislamiento térmico; [17] los calentadores de almacenamiento son un ejemplo. Las bombas de calor de aire acondicionado también se pueden combinar con calefacción solar pasiva . La masa térmica (como el hormigón o las rocas) calentada por 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 frías y la eficiencia de la bomba de calor es menor.
Un buen aislamiento del hogar es importante. [18] A partir de 2023, [actualizar]las bombas de calor de aire acondicionado son más grandes que las calderas de gas y necesitan más espacio en el exterior, por lo que el proceso es más complejo y puede resultar más caro que si fuera posible simplemente retirar una caldera de gas e instalar una bomba de calor de aire acondicionado en su lugar. [3] [19] Si los costes de funcionamiento son importantes, es importante elegir el tamaño adecuado porque una bomba de calor de aire acondicionado que sea demasiado grande será más cara de utilizar. [20]
Puede resultar más complicado adaptar los sistemas de calefacción convencionales que utilizan radiadores/ paneles radiantes , calentadores de agua de zócalo o incluso conductos de diámetro más pequeño con calor proveniente de bombas de calor de alta presión. Las temperaturas de salida más bajas de las bombas de calor significan que los radiadores (y posiblemente las tuberías) pueden tener que reemplazarse por otros de mayor tamaño o instalar en su lugar un sistema de calefacción por suelo radiante de baja temperatura . [21]
Como alternativa, se puede instalar una bomba de calor de alta temperatura y conservar los emisores de calor existentes; sin embargo, a partir de 2023, [actualizar]estas bombas de calor son más caras de comprar y operar, por lo que solo pueden ser adecuadas para edificios que son difíciles de alterar o aislar, como algunas casas históricas grandes. [22]
Se afirma que las bombas de calor de aire a presión son más saludables que los calentadores de combustible fósil, como los calentadores de gas, ya que mantienen una temperatura más uniforme y evitan el riesgo de humos nocivos. [18] Además, al filtrar el aire y reducir la humedad en climas cálidos y húmedos de verano, se dice que reducen el polvo, los alérgenos y el riesgo de moho para la salud. [23]
En general, no se recomienda el funcionamiento de bombas de calor de aire acondicionado (ASHP) normales por debajo de los -10 °C. [24] Sin embargo, las ASHP diseñadas específicamente para climas muy fríos (en los EE. UU. están certificadas bajo Energy Star [25] ) pueden extraer calor útil del aire ambiente tan frío como -30 °C (-22 °F), sin embargo, por debajo de los -25 °C, la calefacción por resistencia eléctrica puede ser más eficiente. [24] Esto es posible gracias al uso de compresores de velocidad variable, alimentados por inversores. [25] Aunque las bombas de calor de fuente de aire son menos eficientes que las bombas de calor de fuente terrestre bien instaladas en condiciones frías, las bombas de calor de fuente de aire tienen costos iniciales más bajos y pueden ser la opción más económica o práctica. [26] Un sistema híbrido , con una bomba de calor y una fuente alternativa de calor, como una caldera de combustible fósil, puede ser adecuado si no es práctico aislar adecuadamente una casa grande. [27] Alternativamente, se pueden considerar múltiples bombas de calor o una bomba de calor de alta temperatura. [27]
En algunas condiciones climáticas, se formará condensación y luego se congelará en las bobinas del intercambiador de calor de la unidad exterior, lo que reducirá el flujo de aire a través de las bobinas. Para eliminar esto, la unidad opera un ciclo de descongelación, cambiando al modo de enfriamiento durante unos minutos, calentando las bobinas hasta que el hielo se derrita. Las bombas de calor aire-agua utilizan el calor del agua circulante para este propósito, lo que da como resultado una caída pequeña y probablemente indetectable en la temperatura del agua; [28] para los sistemas aire-aire, el calor se toma del aire del edificio o se usa un calentador eléctrico. [29] Algunos sistemas aire-aire simplemente detienen el funcionamiento de los ventiladores de ambas unidades y cambian al modo de enfriamiento, de modo que la unidad exterior vuelve a ser el condensador de modo que se calienta y se descongela.
Una bomba de calor de fuente de aire requiere una unidad exterior que contenga componentes mecánicos móviles, incluidos ventiladores que producen ruido. Los dispositivos modernos ofrecen programas para el funcionamiento en modo silencioso con velocidad reducida del ventilador. Esto reducirá la potencia máxima de calefacción, pero se puede aplicar a temperaturas exteriores suaves sin pérdida de eficiencia. Los cerramientos acústicos son otra estrategia para reducir el ruido en un vecindario sensible. En los edificios aislados, el funcionamiento se puede pausar por la noche sin una pérdida significativa de temperatura. Solo a bajas temperaturas, la protección contra las heladas obliga a que el funcionamiento se realice después de unas horas. La ubicación adecuada también es importante. [30]
En Estados Unidos, el nivel de ruido nocturno permitido es de 45 decibeles ponderados A (dBA) . [31] En el Reino Unido, el límite se establece en 42 dB medidos desde el vecino más cercano [32] según la norma MCS 020 [33] o equivalente. [34] En Alemania, el límite en áreas residenciales es de 35, que generalmente se mide según la norma europea EN 12102. [35]
Otra característica de los intercambiadores de calor externos de las bombas de calor de fuente de aire (ASHPs) es su necesidad de detener el ventilador de vez en cuando durante un período de varios minutos para eliminar la escarcha que se acumula en la unidad exterior en el modo de calefacción. Después de eso, la bomba de calor comienza a funcionar de nuevo. Esta parte del ciclo de trabajo da como resultado dos cambios repentinos del ruido producido por el ventilador. El efecto acústico de tal interrupción es especialmente poderoso en entornos silenciosos donde el ruido nocturno de fondo puede ser tan bajo como 0 a 10dBA. Esto está incluido en la legislación en Francia. Según el concepto francés de molestia por ruido, la "aparición de ruido" es la diferencia entre el ruido ambiental que incluye el ruido molesto y el ruido ambiental sin el ruido molesto. [36] [37] Por el contrario, una bomba de calor de fuente terrestre no necesita una unidad exterior con componentes mecánicos móviles.
La eficiencia de las bombas de calor de fuente de aire se mide por 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 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 = (Temperatura interior deseada C + 273) ÷ (Temperatura interior deseada C - Temperatura exterior C). [ cita requerida ] [38] [ se necesita una mejor fuente ]
En un 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. [39] Sin embargo, en un día frío de invierno, se necesita más trabajo para mover la misma cantidad de calor al interior que en un día templado. [40] 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 a interior, lo que para la mayoría de las bombas de calor de fuente de aire ocurre cuando las temperaturas exteriores se acercan a los −18 °C (0 °F). [ cita requerida ] La construcción de una bomba de calor que permite el dióxido de carbono como refrigerante puede tener un COP de más de 2 incluso hasta −20 °C, lo que empuja la cifra de equilibrio hacia abajo a −30 °C (−22 °F). [ cita requerida ] Una bomba de calor de fuente terrestre tiene comparativamente menos cambios en el COP a medida que cambian las temperaturas exteriores, porque el suelo del que extraen calor tiene una temperatura más constante que el aire exterior.
El diseño de una bomba de calor tiene un impacto considerable en su eficiencia. Muchas bombas de calor de fuente de aire están diseñadas principalmente como unidades de aire acondicionado , principalmente para su uso en temperaturas de verano. Diseñar una bomba de calor específicamente para el intercambio de calor puede lograr un mayor COP y un ciclo de vida más largo. Los principales cambios están en la escala y el tipo de compresor y evaporador.
Las eficiencias de calefacción y refrigeración ajustadas estacionalmente se calculan mediante el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) y el índice de eficiencia energética estacional (SEER), respectivamente. En los EE. UU., la eficiencia mínima legal es de 14 o 15 SEER y 8,8 HSPF. [25]
Los compresores de velocidad variable son más eficientes porque suelen funcionar más lentamente y porque el aire pasa más lentamente, lo que da al agua más tiempo para condensarse, por lo que son más eficientes, ya que el aire más seco es más fácil de enfriar. Sin embargo, son más caros y es más probable que necesiten mantenimiento o reemplazo. [23] El mantenimiento, como el cambio de filtros, puede mejorar el rendimiento entre un 10 % y un 25 %. [41]
Los refrigerantes puros se pueden dividir en sustancias orgánicas ( hidrocarburos (HC), clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) , hidrofluorocarbonos (HFC), hidrofluoroolefinas (HFO) y HCFO) y sustancias inorgánicas ( amoníaco ( NH
3), dióxido de carbono ( CO
2) y agua ( H
2O ) [42] ). [43] Sus puntos de ebullición suelen estar por debajo de −25 °C. [44]
En los últimos 200 años, las normas y requisitos para los nuevos refrigerantes han cambiado. Hoy en día se requiere un bajo potencial de calentamiento global (GWP), además de todos los requisitos anteriores de seguridad, practicidad, compatibilidad de materiales, vida atmosférica apropiada, [ aclaración necesaria ] y compatibilidad con productos de alta eficiencia. Para 2022, los dispositivos que utilizan refrigerantes con un GWP muy bajo todavía tienen una pequeña participación en el mercado, pero se espera que desempeñen un papel cada vez mayor debido a las regulaciones impuestas, [45] ya que la mayoría de los países han ratificado la Enmienda de Kigali para prohibir los HFC. [46] El isobutano (R600A) y el propano (R290) son mucho menos dañinos para el medio ambiente que los hidrofluorocarbonos (HFC) convencionales y ya se están utilizando en bombas de calor de fuente de aire. [47] El propano puede ser el más adecuado para bombas de calor de alta temperatura. [48] El amoníaco (R717) y el dióxido de carbono ( R-744 ) también tienen un GWP bajo. A partir de 2023, CO[actualizar] más pequeño
2Las bombas de calor no están ampliamente disponibles y la investigación y el desarrollo de las mismas continúan. [49] Un informe de 2024 afirmó que los refrigerantes con potencial de calentamiento global son vulnerables a más restricciones internacionales. [50]
Hasta la década de 1990, las bombas de calor, junto con los refrigeradores y otros productos relacionados, utilizaban clorofluorocarbonos (CFC) como refrigerantes, que causaban importantes daños a la capa de ozono cuando se liberaban a la atmósfera . El uso de estos productos químicos fue prohibido o severamente restringido por el Protocolo de Montreal de agosto de 1987. [51]
Los sustitutos, incluidos el R-134a y el R-410A , son hidrofluorocarbonos (HFC) con propiedades termodinámicas similares con un potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) insignificante, pero que tenían un PCA problemático. [52] Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. [53] [54] El dimetiléter (DME) también ganó popularidad como refrigerante en combinación con el R404a. [55] Los refrigerantes más recientes incluyen el difluorometano (R32) con un PCA menor, pero aún superior a 600.
Se espera que los dispositivos con refrigerante R-290 (propano) desempeñen un papel clave en el futuro. [48] [59] El GWP de propano a 100 años, de 0,02, es extremadamente bajo y es aproximadamente 7000 veces menor que el 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 refrigerantes de menor inflamabilidad (solo se permite aproximadamente 13,5 veces menos refrigerante en el sistema que el R-32). [60] [61] [62] Esto significa que el R-290 no es adecuado para todas las situaciones o ubicaciones. No obstante, para 2022, se ofreció un número cada vez mayor de dispositivos con R-290 para uso doméstico, especialmente en Europa. [ cita requerida ]
Al mismo tiempo, [ ¿ cuándo? ] los refrigerantes HFC siguen dominando el mercado. Recientes mandatos gubernamentales han visto 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 tienen un alto potencial de calentamiento global. [63] Una bomba de calor normalmente utiliza 3 kg de refrigerante. Con el R-32, esta cantidad todavía tiene un impacto de 20 años equivalente a 7 toneladas de CO 2 , lo que corresponde a dos años de calefacción a gas natural en un hogar promedio. Los refrigerantes con un alto ODP ya se han eliminado gradualmente. [ cita requerida ]Las bombas de calor son fundamentales para descarbonizar el uso de energía en el hogar mediante la eliminación gradual de las calderas de gas . [19] [11] A partir de 2024, la AIE dice que se podrían reducir 500 millones de toneladas de emisiones de CO 2 para 2030. [64]
A medida que los parques eólicos se utilizan cada vez más para suministrar electricidad a algunas redes, como el territorio de Yukón en Canadá , la mayor carga invernal coincide bien con la mayor generación invernal de las turbinas eólicas , y los días más tranquilos resultan en una menor carga de calefacción para la mayoría de las casas, incluso si la temperatura del aire es baja. [65]
Las bombas de calor podrían ayudar a estabilizar las redes mediante la respuesta a la demanda . [66] A medida que aumenta la penetración de las bombas de calor, algunos países, como el Reino Unido, pueden necesitar alentar a los hogares a utilizar almacenamiento de energía térmica , como tanques de agua muy bien aislados. [67] En algunos países, como Australia, la integración de este almacenamiento térmico con energía solar en los techos también ayudaría. [68]
Aunque las bombas de calor de mayor costo pueden ser más eficientes, un estudio de 2024 concluyó que para el Reino Unido "desde una perspectiva del sistema energético, es en general rentable diseñar bombas de calor con un COP nominal en el rango de 2,8 a 3,2, que normalmente tiene un costo específico inferior a 650 £/kWth, y simultáneamente invertir en mayores capacidades de tecnologías de generación de energía renovable y baterías, en primera instancia, seguidas de OCGT y CCGT con CCS". [69]
A partir de 2023, [actualizar]comprar e instalar una bomba de calor de aire acondicionado en una casa existente es caro si no hay subsidios gubernamentales, pero el costo de vida útil probablemente será menor o similar al de una caldera de gas y un aire acondicionado. [70] [71] Esto también es generalmente cierto si no se requiere refrigeración, ya que la bomba de calor de aire acondicionado probablemente durará más si solo se usa calefacción. [72] El costo de vida útil de una bomba de calor de fuente de aire se verá afectado por el precio de la electricidad en comparación con el gas (cuando esté disponible), y puede llevar de dos a diez años alcanzar el punto de equilibrio. [70] La AIE recomienda que los gobiernos subsidien el precio de compra de las bombas de calor residenciales, y algunos países lo hacen. [73]
En Noruega, [74] Australia y Nueva Zelanda, la mayor parte de la calefacción se realiza con bombas de calor. En 2022, las bombas de calor superaron en ventas a la calefacción basada en combustibles fósiles en los EE. UU. y Francia. [73] En el Reino Unido, las ventas anuales de bombas de calor han crecido de manera constante en los últimos años con 26.725 bombas de calor vendidas en 2018, una cifra que ha aumentado a 60.244 ventas de bombas de calor en 2023. [75] Se puede ayudar a las bombas de calor de aire a competir aumentando el precio del gas fósil en comparación con el de la electricidad y utilizando precios de electricidad flexibles adecuados . [19] En los EE. UU., el aire-aire es el tipo más común. [76] A partir de 2023, [actualizar]más del 80% de las bombas de calor son de fuente de aire. [11] En 2023, la AIE solicitó mejores datos, especialmente sobre el aire-aire. [73]
Se cree que las bombas de calor de aire acondicionado necesitan menos mantenimiento que las bombas de calor alimentadas con combustibles fósiles, y algunos dicen que las bombas de calor de aire acondicionado son más fáciles de mantener que las bombas de calor geotérmicas debido a la dificultad de encontrar y reparar fugas subterráneas. Instalar una bomba de calor de aire acondicionado demasiado pequeña podría acortar su vida útil (pero una demasiado grande será menos eficiente). [77] Sin embargo, otros dicen que las calderas requieren menos mantenimiento que las bombas de calor de aire acondicionado. [78] Una encuesta de Consumer Reports concluyó que "en promedio, es probable que alrededor de la mitad de las bombas de calor experimenten problemas al final del octavo año de propiedad". [79]
Las técnicas modernas de refrigeración química se desarrollaron después de la propuesta del ciclo de Carnot en 1824. Jacob Perkins inventó una máquina para hacer hielo que usaba éter en 1843, y Edmond Carré construyó un refrigerador que usaba agua y ácido sulfúrico en 1850. En Japón, Fusanosuke Kuhara , fundador de Hitachi, Ltd. , fabricó un acondicionador de aire para su propio uso doméstico usando CO 2 comprimido como refrigerante en 1917. [80]
En 1930, Thomas Midgley Jr. descubrió el diclorodifluorometano , un fluorocarbono clorado ( CFC ) conocido como freón . Los CFC reemplazaron rápidamente a las sustancias refrigerantes tradicionales, incluido el CO2 ( que resultó difícil de comprimir para uso doméstico [81] ), para su uso en bombas de calor y refrigeradores . Pero a partir de la década de 1980, los CFC comenzaron a perder popularidad como refrigerante cuando se descubrieron sus efectos dañinos sobre la capa de ozono . Dos tipos alternativos de refrigerante, los hidrofluorocarbonos ( HFC ) y los hidroclorofluorocarbonos ( HCFC ), también perdieron popularidad cuando se los identificó como gases de efecto invernadero (además, se descubrió que los HCFC eran más dañinos para la capa de ozono de lo que se pensaba originalmente). La Convención de Viena para la Protección de la Capa de Ozono , el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto exigen el abandono completo de dichos refrigerantes para 2030.
En 1989, en medio de la preocupación internacional por los efectos de los clorofluorocarbonos y los hidroclorofluorocarbonos en la capa de ozono, el científico Gustav Lorentzen y SINTEF patentaron un método para utilizar el CO2 como refrigerante en calefacción y refrigeración. Posteriormente, se llevaron a cabo más investigaciones sobre 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. [81]
En 1993, la empresa japonesa Denso , en colaboración con Gustav Lorentzen, desarrolló un acondicionador de aire para automóviles que utilizaba CO2 como refrigerante. Demostraron la invención en la Conferencia del Instituto Internacional de Refrigeración/Gustav Lorentzen de junio de 1998. [82] Después de la conferencia, CRIEPI ( Instituto Central de Investigación de la Industria de Energía Eléctrica ) y TEPCO ( The Tokyo Electric Power Company ) se acercaron a Denso para desarrollar un prototipo de acondicionador de aire que utilizara materiales refrigerantes naturales en lugar de freón. Juntos produjeron 30 unidades prototipo para una instalación experimental de un año en lugares de todo Japón , desde el clima frío de Hokkaidō hasta el más cálido 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. A principios del siglo XXI, las bombas de calor de CO2 , bajo la patente EcoCute, se hicieron populares para las viviendas de nueva construcción en Japón, pero tardaron más en despegar en otros lugares. [83]
La demanda de bombas de calor aumentó en el primer cuarto del siglo XXI en Estados Unidos y Europa, donde los gobiernos las subvencionaron para aumentar la seguridad energética y la descarbonización . Los europeos tienden a utilizar sistemas aire-agua (también llamados hidrónicos) que utilizan 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. [84]
Prácticamente todas las bombas de calor aire-aire que se venden hoy en día son reversibles (p. 7)