Una bomba de calor es un dispositivo que consume energía (normalmente electricidad) para transferir calor desde un disipador de calor frío a un disipador de calor caliente. En concreto, la bomba de calor transfiere energía térmica mediante un ciclo de refrigeración , enfriando el espacio frío y calentando el espacio cálido. [1] En climas fríos, una bomba de calor puede trasladar el calor del exterior frío para calentar una casa (por ejemplo, en invierno); la bomba también puede estar diseñada para trasladar el calor de la casa al exterior más cálido en climas cálidos (por ejemplo, en verano). Como transfieren calor en lugar de generarlo, son más eficientes energéticamente que otras formas de calentar o enfriar una casa. [2]
Un refrigerante gaseoso se comprime, por lo que su presión y temperatura aumentan. Cuando funciona como calentador en un clima frío, el gas calentado fluye hacia un intercambiador de calor en el espacio interior, donde parte de su energía térmica se transfiere a ese espacio interior, lo que hace que el gas se condense a su estado líquido. El refrigerante licuado fluye hacia un intercambiador de calor en el espacio exterior, donde la presión cae, el líquido se evapora y la temperatura del gas desciende. Ahora está más frío que la temperatura del espacio exterior que se usa como fuente de calor. Puede volver a absorber energía de la fuente de calor, comprimirse y repetir el ciclo.
Las bombas de calor de fuente de aire son los modelos más comunes, mientras que otros tipos incluyen bombas de calor de fuente terrestre , bombas de calor de fuente de agua 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]
La eficiencia de una bomba de calor se expresa como coeficiente de rendimiento (COP) o coeficiente de rendimiento estacional (SCOP). Cuanto mayor sea el número, más eficiente será la bomba de calor. Por ejemplo, una bomba de calor aire-agua que produce 6 kW con un SCOP de 4,62 proporcionará más de 4 kW de energía a un sistema de calefacción por cada kilovatio de energía que la bomba de calor utiliza para funcionar. Cuando se utilizan para calentar espacios, las bombas de calor suelen ser más eficientes energéticamente que las resistencias eléctricas y otros calentadores.
Debido a su alta eficiencia y a la creciente proporción de fuentes libres de fósiles en las redes eléctricas, las bombas de calor desempeñan un papel clave en la mitigación del cambio climático . [5] [6] Consumiendo 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 normalmente 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 a gas : sin embargo, en 2021 solo cubrieron el 10%. [4]
El calor fluye espontáneamente desde una región de mayor temperatura a una región de menor temperatura. El calor no fluye espontáneamente de una temperatura más baja a una más alta, pero se puede hacer que fluya en esta dirección si se realiza un trabajo . El trabajo necesario para transferir una cantidad dada de calor suele ser mucho menor que la cantidad de calor; esta es la motivación para utilizar bombas de calor en aplicaciones como el calentamiento de agua y el interior de edificios. [9]
La cantidad de trabajo necesaria para conducir una cantidad de calor Q desde un depósito de menor temperatura, como el aire ambiente, a un depósito de mayor temperatura, como el interior de un edificio, es: donde
El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor es mayor que uno, por lo que el trabajo necesario es menor que el calor transferido, lo que hace que una bomba de calor sea 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 hace que se requiera una cantidad cada vez mayor de trabajo por cada unidad de calor que se transfiere. [9]
El coeficiente de rendimiento y el trabajo requerido por una bomba de calor se pueden calcular fácilmente considerando una bomba de calor ideal que funciona en el ciclo de Carnot inverso :
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 donde no hay suficiente flujo de aire. Un mayor intercambio de datos con los propietarios y los académicos (quizás a partir de los medidores de calor ) podría mejorar la eficiencia a largo plazo. [11]
Hitos:
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. [20] [21]
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 alta presión (ASHP) 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 temperaturas de flujo bajas. Con pérdidas de eficiencia, una bomba de calor de alta presión puede incluso proporcionar calefacción central completa con una temperatura de flujo de hasta 80 °C (176 °F). [22]
A partir de 2023, [update]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 . [23]
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 o bien 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 pueden usarse para calentar agua para lavar que se almacena en un tanque de agua caliente sanitaria. [24]
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. [25]
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. [26]
Una bomba de calor geotérmica (también llamada bomba de calor geotérmica) es un sistema de calefacción/refrigeración para edificios que utiliza un tipo de bomba de calor para transferir calor hacia o desde 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), o bombas de calor geotérmicas (GHP, por sus siglas en inglés), como se las denomina comúnmente en América del Norte, se encuentran entre las tecnologías más eficientes energéticamente para proporcionar calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC , por sus siglas en inglés) y calentamiento de agua , ya que utilizan mucha menos energía de la que se puede lograr quemando un combustible en una caldera/horno o mediante el uso de calentadores eléctricos resistivos .
La eficiencia se expresa como un coeficiente de rendimiento (CoP), que suele estar en el rango de 3 a 6, lo que significa que los dispositivos proporcionan de 3 a 6 unidades de calor por cada unidad de electricidad utilizada. Los costos de instalación son más altos que para otros sistemas de calefacción, debido a la necesidad de instalar circuitos de tierra en áreas grandes o perforar pozos, y por esta razón, la fuente de tierra suele ser adecuada cuando se construyen nuevos bloques de apartamentos. [27] De lo contrario, a menudo se utilizan bombas de calor de fuente de aire .Las bombas de calor de aire de escape extraen calor del aire de escape de un edificio y requieren ventilación mecánica . Existen dos clases:
Una bomba de calor asistida por energía solar (SAHP) es una máquina que combina una bomba de calor y paneles solares térmicos y/o paneles solares fotovoltaicos en un único sistema integrado. [28] Normalmente, estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . [29] En este sistema, el panel solar térmico realiza la función de fuente de calor de baja temperatura y el calor producido se utiliza para alimentar el evaporador de la bomba de calor. [30] El objetivo de este sistema es obtener un COP alto y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.
Es posible utilizar cualquier tipo de panel solar térmico (chapa y tubos, roll-bond, heat pipe, placas térmicas) o híbrido ( mono / policristalino , capa fina ) en combinación con la bomba de calor. El uso de un panel híbrido es preferible porque permite cubrir una parte de la demanda eléctrica de la bomba de calor y reducir el consumo eléctrico y en consecuencia los costes variables del sistema.
Una bomba de calor de fuente de agua funciona de manera similar a una bomba de calor de fuente terrestre, excepto que toma calor de una masa de agua en lugar de hacerlo del suelo. Sin embargo, la masa de agua debe ser lo suficientemente grande como para soportar el efecto de enfriamiento de la unidad sin congelarse ni crear un efecto adverso para la vida silvestre. [31] La bomba de calor de fuente de agua más grande se instaló en la ciudad danesa de Esbjerg en 2023. [32] [33]
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 en toda la cámara. [34]
Las bombas de calor electrocalóricas son de estado sólido. [35]
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 secar la ropa en secadora. [36] Los costos de compra están respaldados en varios países por descuentos al consumidor. [37]
En aplicaciones de HVAC, una bomba de calor es típicamente un dispositivo de refrigeración por compresión de vapor que incluye una válvula de inversión e intercambiadores de calor optimizados para que la dirección del flujo de calor (movimiento de energía térmica) pueda invertirse. La válvula de inversión cambia la dirección del refrigerante a través del ciclo y, por lo tanto, la bomba de calor puede suministrar 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, la Clasificación de Eficiencia Energética Estacional (SEER en los EE. UU.) o la relación de eficiencia energética estacional europea de una bomba de calor reversible es típicamente ligeramente menor que la de dos máquinas optimizadas por separado. Para que un equipo reciba la clasificación Energy Star de los EE. UU ., debe tener una clasificación de al menos 14 SEER. Las bombas con clasificaciones de 18 SEER o más se consideran altamente eficientes. Las bombas de calor de mayor eficiencia fabricadas tienen hasta 24 SEER. [38]
El factor de rendimiento estacional de calefacción (en los EE. UU.) o el factor de rendimiento estacional (en Europa) son índices de rendimiento de calefacción. El SPF es la producción total de calor por año / electricidad total consumida por año, es decir, el COP de calefacción promedio a lo largo del año. [39]
Las bombas de calor instaladas en la ventana funcionan con tomas de corriente CA 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 ocupan menos espacio que los acondicionadores de aire instalados en la ventana que solo enfrían. [40]
En aplicaciones de calentamiento de agua , las bombas de calor se pueden utilizar para calentar o precalentar el agua para piscinas, viviendas o industrias. Por lo general, el calor se extrae del aire exterior y se transfiere a un tanque de agua interior. [41] [42]
Las bombas de calor de gran tamaño (a escala de megavatios) se utilizan para la calefacción urbana . [43] Sin embargo, a partir de 2022, [update]aproximadamente el 90% del calor urbano proviene de combustibles fósiles . [44] En Europa, las bombas de calor representan solo 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 las aguas residuales , el agua ambiente (por ejemplo, agua de mar, lago y río), el calor residual industrial , la energía geotérmica , los gases de combustión , el calor residual de la refrigeración urbana y el calor del almacenamiento de energía térmica solar estacional . [45] Las bombas de calor a gran escala para la calefacción urbana combinadas con el almacenamiento de energía térmica ofrecen una gran 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 . [45] [46] También son un elemento crucial de los sistemas que pueden calentar y enfriar los distritos . [47]
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 . [48] [49] Son posibles períodos de recuperación 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%). [50] [51] Las bombas de calor industriales pueden calentar hasta 200 °C y pueden satisfacer las demandas de calefacción de muchas industrias ligeras . [52] [53] Solo en Europa, se podrían instalar 15 GW de bombas de calor en 3.000 instalaciones en las industrias del papel, la alimentación y los productos químicos. [4]
El rendimiento de una bomba de calor está determinado por la capacidad de la bomba para extraer calor de un entorno de baja temperatura (la fuente ) y entregarlo a un entorno de mayor temperatura (el sumidero ). [54] El rendimiento varía según los detalles de la instalación, las diferencias de temperatura, la elevación del sitio, la ubicación en el sitio, las tuberías, los caudales y el mantenimiento.
En general, las bombas de calor funcionan de manera más eficiente (es decir, la salida de calor producida para un consumo de energía determinado) cuando la diferencia entre la fuente de calor y el disipador de calor es pequeña. Por lo tanto, cuando se utiliza una bomba de calor para calentar espacios o agua, la bomba de calor será más eficiente en condiciones templadas y disminuirá su eficiencia en días muy fríos. Las métricas de rendimiento que se proporcionan a los consumidores intentan tener en cuenta esta variación.
Las métricas de rendimiento comunes son el SEER (en modo de enfriamiento) y el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) (comúnmente utilizado solo para calefacción), aunque el SCOP se puede utilizar para ambos modos de operación. [54] Los valores más altos de cualquiera de las métricas indican un mejor rendimiento. [54] Al comparar el rendimiento de las bombas de calor, se prefiere el término rendimiento a eficiencia , y se utiliza el coeficiente de rendimiento (COP) para describir la relación de movimiento de calor útil por entrada de trabajo. [54] Un calentador de resistencia eléctrica tiene un COP de 1,0, que es considerablemente menor que 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 de fuente terrestre no está sujeta a grandes fluctuaciones de temperatura y, por lo tanto, es el tipo de bomba de calor más eficiente energéticamente. [54]
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. [54] Un marco para este cálculo lo proporciona el Reglamento (UE) nº 813/2013 de la Comisión. [55]
El rendimiento operativo de una bomba de calor en modo de enfriamiento se caracteriza en EE. UU. 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 grandes indican un mejor rendimiento.
La huella de carbono de las bombas de calor depende de su eficiencia individual y de cómo se produce la electricidad. Una proporción cada vez mayor de fuentes de energía con bajas emisiones de carbono, como la eólica y la solar, reducirá el impacto sobre el clima.
En la mayoría de los entornos, las bombas de calor reducirán las emisiones de CO2 en comparación con los sistemas de calefacción alimentados por combustibles fósiles . [62] En las regiones que representan el 70% del consumo mundial de energía , los ahorros de emisiones de las bombas de calor en comparación con una caldera de gas de alta eficiencia son en promedio superiores al 45% y alcanzan el 80% en países con mezclas eléctricas más limpias. [4] Estos valores se pueden mejorar en 10 puntos porcentuales, respectivamente, con refrigerantes alternativos. En los Estados Unidos, el 70% de las casas podrían reducir las emisiones instalando una bomba de calor. [63] [4] La creciente proporción de generación de electricidad renovable en muchos países aumentará los ahorros de emisiones de las bombas de calor con el tiempo. [4]
Los sistemas de calefacción alimentados con hidrógeno verde también son bajos en carbono y pueden 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, no se espera que haya suficiente hidrógeno verde disponible antes de la década de 2030 o 2040. [64] [65]
La compresión de vapor utiliza un refrigerante circulante como medio que absorbe el calor de un espacio, lo comprime y aumenta su temperatura antes de liberarlo en otro espacio. El sistema normalmente tiene ocho componentes principales: un compresor , un depósito, una válvula de inversión que selecciona entre el modo de calefacción y el de refrigeración, dos válvulas de expansión térmica (una utilizada en el modo de calefacción y la otra en el modo 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 es el evaporador y el interno es el condensador; en el modo de refrigeración, los papeles se invierten.
El refrigerante circulante ingresa al compresor en un estado termodinámico conocido como vapor saturado [66] y se comprime a una presión más alta, lo que también genera una temperatura más alta. El vapor caliente y comprimido se encuentra entonces en un estado termodinámico conocido como vapor sobrecalentado y se encuentra a una temperatura y presión a las que se puede condensar con agua o aire de enfriamiento que fluye a través del serpentín o los tubos. En el modo de calefacción, este calor se utiliza para calentar el edificio mediante el intercambiador de calor interno, y en el modo de enfriamiento, este calor se rechaza a través del intercambiador de calor externo.
El refrigerante líquido condensado, en el estado termodinámico conocido como líquido saturado , se dirige a continuación a través de una válvula de expansión donde sufre una reducción abrupta de presión. Esa reducción de presión da como resultado 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 a un nivel más bajo que la temperatura del espacio cerrado que se va a refrigerar.
La mezcla fría se dirige entonces a través del serpentín o los tubos del evaporador. Un ventilador hace circular el aire caliente en el espacio cerrado a través del serpentín o los tubos que transportan la mezcla de líquido y vapor de refrigerante frío. Ese aire caliente evapora la parte líquida de la mezcla de refrigerante frío. Al mismo tiempo, el aire circulante se enfría y, por lo tanto, reduce la temperatura del espacio cerrado a la temperatura deseada. El evaporador es donde el refrigerante circulante absorbe y elimina el calor que posteriormente se rechaza en el condensador y se transfiere a otra parte mediante el agua o el aire utilizados en el condensador.
Para completar el ciclo de refrigeración , el vapor de refrigerante del evaporador vuelve a ser un vapor saturado y se dirige de regreso al compresor.
Con el tiempo, el evaporador puede acumular hielo o agua de la humedad ambiental . El hielo se derrite mediante un ciclo de descongelación . Se utiliza un intercambiador de calor interno para calentar o enfriar el aire interior directamente o para calentar agua que luego circula a través de radiadores o un circuito de calefacción por suelo radiante para calentar o enfriar los edificios.
La entrada de calor se puede mejorar si el refrigerante entra en el evaporador con un contenido de vapor más bajo. Esto se puede lograr enfriando el refrigerante líquido después de la condensación. El refrigerante gaseoso se condensa en la superficie de intercambio de calor del condensador. Para lograr 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 cálido que sale del condensador y el vapor refrigerante más frío que emerge del evaporador. La diferencia de entalpía necesaria para el subenfriamiento conduce al sobrecalentamiento del vapor aspirado hacia el compresor. Cuando el aumento en el enfriamiento logrado por el subenfriamiento es mayor que la entrada del impulsor del compresor necesaria para superar las pérdidas de presión adicionales, dicho intercambio de calor mejora el coeficiente de rendimiento. [67]
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, con lo que aumenta la energía del compresor.
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 ) [68] ). [69] Sus puntos de ebullición suelen estar por debajo de −25 °C. [70]
En los últimos 200 años, las normas y requisitos para los nuevos refrigerantes han cambiado. Hoy en día se requiere un potencial de calentamiento global (GWP) bajo, 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, [71] ya que la mayoría de los países han ratificado la Enmienda de Kigali para prohibir los HFC. [72] 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 . [73] El propano puede ser el más adecuado para bombas de calor de alta temperatura. [74] El amoníaco (R717) y el dióxido de carbono ( R-744 ) también tienen un GWP bajo. A partir de 2023, CO[update] más pequeño
2Las bombas de calor no están ampliamente disponibles y la investigación y el desarrollo de las mismas continúan. [75] Un informe de 2024 afirmó que los refrigerantes con potencial de calentamiento global son vulnerables a más restricciones internacionales. [76]
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. [77]
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 (ODP) insignificante, pero que tenían un PCA problemático. [78] Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. [79] [80] El dimetiléter (DME) también ganó popularidad como refrigerante en combinación con el R404a. [81] 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. [74] [85] 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). [86] [87] [88] 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. [89] 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 ]
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 [90] 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]
Los procesadores de alimentos, cerveceros, productores de alimentos para mascotas y otros usuarios industriales de energía están explorando si es factible utilizar energía renovable para producir calor de calidad industrial. El calentamiento de procesos representa la mayor parte del uso de energía in situ en la industria manufacturera australiana, y las operaciones a menor temperatura, como la producción de alimentos, son particularmente adecuadas para la transición a las energías renovables.
Para ayudar a los productores a entender cómo podrían beneficiarse al hacer el cambio, la Agencia Australiana de Energía Renovable (ARENA) proporcionó fondos a la Alianza Australiana para la Productividad Energética (A2EP) para realizar estudios de prefactibilidad en una variedad de sitios en toda Australia, y los lugares más prometedores avanzaron hacia estudios de factibilidad completos. [91]
En un esfuerzo por incentivar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental, los estados australianos de Victoria, Nueva Gales del Sur y Queensland han implementado programas de reembolsos destinados 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. [92] [93] [94] [95] [96]
En 2022, la subvención para viviendas más ecológicas de Canadá [97] proporciona hasta $5000 para mejoras (incluidas ciertas bombas de calor) y $600 para evaluaciones de eficiencia energética.
Los subsidios a las compras en las zonas rurales en la década de 2010 redujeron la quema de carbón para calefacción, que había estado causando problemas de salud. [98]
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 globales, con un aumento del 12% solo en 2023, a pesar de una caída de las ventas globales del 3% el mismo año. [99]
En la actualidad, las bombas de calor se utilizan en aproximadamente el 8 % de todas las ventas de equipos de calefacción para edificios en China a partir de 2022, y se están convirtiendo cada vez más en la norma en las regiones central y meridional tanto para calefacción como para refrigeración. A pesar de sus mayores costos iniciales y su relativamente baja concienciación, las bombas de calor son las 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. En la actualidad, las bombas de calor descentralizadas instaladas en los 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 los edificios. [99]
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 1.400 GW para 2050, satisfaciendo el 25% de las necesidades de calefacción. Este escenario requeriría una instalación de alrededor de 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 las cifras de empleo se dupliquen para 2050, lo que subraya la importancia de la formación profesional para el crecimiento de la industria. Se espera que este sólido desarrollo en el mercado de las bombas de calor desempeñe un papel importante en la reducción de las emisiones directas en los edificios en un 30% y la reducción de las emisiones de PM2,5 de la calefacción residencial en casi un 80% para 2030. [99] [100]
A partir de 2022: las bombas de calor no tienen Impuesto al Valor Agregado (IVA), aunque en Irlanda del Norte se gravan a la tasa reducida del 5% en lugar del nivel habitual de IVA del 20% para la mayoría de los demás productos. [101] A partir de 2022, [update]el costo de instalación de una bomba de calor es mayor que el de una caldera de gas, pero con la subvención del gobierno "Boiler Upgrade Scheme" [102] y suponiendo que los costos de electricidad/gas sigan siendo similares, sus costos de vida útil serían similares en promedio. [103] Sin embargo, el costo de 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. [104] En 2024, Inglaterra fue criticada por seguir permitiendo que se construyan nuevas viviendas con calderas de gas, a diferencia de otros condados donde esto está prohibido. [105]
El Programa de Reembolso para Hogares Eléctricos de Alta Eficiencia se creó en 2022 para otorgar subvenciones a las oficinas de energía estatales y a las tribus indígenas con el fin de establecer reembolsos para hogares eléctricos de alta eficiencia en todo el estado. Con vigencia inmediata, los hogares estadounidenses son elegibles para un crédito fiscal para cubrir los costos de compra e instalación de una bomba de calor, hasta $2,000. A partir de 2023, los hogares con ingresos bajos y moderados serán elegibles para un reembolso para bombas de calor de hasta $8,000. [106]
En 2022, se vendieron más bombas de calor que hornos de gas natural en Estados Unidos. [107]
En noviembre de 2023, la administración de Biden destinó 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, porque, según la administración, la energía que es mejor para el clima también es mejor para la seguridad nacional. [108]
El sistema de bomba de calor asistida por energía solar de expansión directa fotovoltaica-térmica (PV/T-DX-SAHP) permite aprovechar el calor residual para la evaporación del refrigerante en el colector-evaporador fotovoltaico/térmico, al tiempo que proporciona una mejor refrigeración para las células fotovoltaicas (Yao et al., 2020).
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