Una bomba de calor de fuente de aire ( ASHP ) es una bomba de calor que puede absorber calor del aire fuera de un edificio y liberarlo dentro; 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, al ser generalmente más pequeñas, tienden a usarse para calentar casas o pisos individuales en lugar de bloques, distritos o procesos industriales. [1]
Las bombas de calor aire-aire proporcionan aire frío o caliente directamente a las habitaciones, pero normalmente no proporcionan agua caliente. Las bombas de calor aire-agua utilizan radiadores o calefacción por suelo radiante para calentar toda una casa y, a menudo, también se utilizan para proporcionar agua caliente sanitaria .
Un ASHP normalmente puede obtener 4 kWh de energía térmica a partir de 1 kWh de energía eléctrica. Están optimizados para temperaturas de flujo entre 30 y 40 °C (86 y 104 °F), adecuados para edificios con emisores de calor dimensionados para bajas temperaturas de flujo. Con pérdidas de eficiencia, un ASHP puede incluso proporcionar calefacción central completa con una temperatura de flujo de hasta 80 °C (176 °F). [2]
En 2023, [actualizar]alrededor del 10% de la calefacción de edificios en todo el mundo provendrá de ASHP. Son la principal vía para eliminar progresivamente las calderas de gas (también conocidas como "hornos") de las casas, para evitar sus emisiones de gases de efecto invernadero . [3]
Las bombas de calor de aire se utilizan para mover calor entre dos intercambiadores de calor, uno fuera del edificio que está equipado con aletas a través de las cuales se fuerza el aire mediante un ventilador y el otro que calienta directamente el aire dentro del edificio o calienta el agua que luego se circula por el edificio a través de radiadores o suelo radiante que libera el calor al edificio. Estos dispositivos también pueden funcionar en modo de refrigeración, donde extraen calor a través del intercambiador de calor interno y lo expulsan al aire ambiente mediante el intercambiador de calor externo. Algunos se pueden utilizar para calentar agua para lavar, que se almacena en un depósito de agua caliente sanitaria. [4]
Las bombas de calor 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 aire aún puede alcanzar un COP de 1 a 4. [5]
Mientras que las bombas de calor de fuente de aire más antiguas funcionaban relativamente mal 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 una amplia adopción y ahorros de costos en lugares como Minnesota y Maine en los Estados Unidos. Estados. [6]
El aire a cualquier temperatura natural contiene algo de calor. Una bomba de calor aerotérmica transfiere parte de esto de un lugar a otro, por ejemplo entre el exterior y el interior de un edificio.
Se puede diseñar un sistema aire-aire 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 siguiente descripción se centra en el uso para calefacción interior.
La tecnología es similar a la de un frigorífico, un congelador o una unidad de aire acondicionado: el efecto diferente se debe a la ubicación de los diferentes componentes del sistema. Así como las tuberías en la parte trasera de un refrigerador se calientan a medida que se enfría el interior, un ASHP calienta el interior de un edificio mientras enfría el aire exterior.
Los componentes principales de una bomba de calor de fuente de aire de sistema dividido (llamado dividido porque hay serpentines internos y externos) son:
Con menos frecuencia, un ASHP empaquetado tiene todo afuera, con aire caliente (o frío) enviado al interior a través de un conducto. [10] También se denominan monobloque y son útiles para mantener el propano inflamable fuera de la casa. [3]
Un ASHP 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 los ASHP son reversibles y pueden calentar o enfriar edificios [13] y, en algunos casos, también proporcionar agua caliente sanitaria . Se ha criticado el uso de una bomba de calor aire-agua para enfriar casas. [14]
La calefacción y la refrigeración se logran 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 estados de líquido más frío y de gas más caliente .
Cuando el refrigerante líquido a baja temperatura y baja presión pasa a través de los serpentines 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 mediante 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 hasta convertirse en líquido y transfiere el calor latente almacenado al aire interior, al calentamiento de agua o al sistema de agua caliente. El aire interior o el agua de calefacción se bombea a través del intercambiador de calor mediante una bomba eléctrica o un ventilador .
Luego, el refrigerante líquido frío vuelve a ingresar a los serpentines del intercambiador de calor exterior para comenzar un nuevo ciclo. Cada ciclo suele durar unos minutos. [11]
La mayoría de las bombas de calor también pueden funcionar en modo de refrigeración, en el que el refrigerante frío se mueve a través de los serpentines interiores para enfriar el aire de la habitación.
A partir de 2024, otras tecnologías distintas a la compresión de vapor son insignificantes en el mercado. [15]
Las ASHP son el tipo más común de bomba de calor y, al ser generalmente más pequeñas, suelen ser más adecuadas para calentar casas individuales que bloques de pisos, distritos urbanos compactos o procesos industriales. [1] En los centros urbanos densos, las redes de calefacción pueden ser mejores que las ASHP. [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 pueden usarse de manera eficiente para calentar agua en climas más suaves. Una ventaja importante de algunos ASHP es que se puede utilizar el mismo sistema 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 geotérmica , porque una bomba de calor geotérmica requiere excavación para instalar su circuito de tierra. La ventaja de una bomba de calor geotérmica es que tiene acceso a la capacidad de almacenamiento térmico del suelo, lo que le permite producir más calor con menos electricidad en condiciones de frío.
Las baterías domésticas pueden mitigar el riesgo de cortes de energía y, al igual que las ASHP, se están volviendo más populares. [16] Algunas ASHP pueden acoplarse a paneles solares como fuente de energía primaria, con una red eléctrica convencional como fuente de respaldo. [ cita necesaria ]
Las soluciones de almacenamiento térmico que incorporan calentamiento por resistencia se pueden utilizar junto con los ASHP. El almacenamiento puede ser más rentable si se dispone de tarifas eléctricas por tiempo de uso. El calor se almacena en ladrillos cerámicos de alta densidad contenidos dentro de un recinto con aislamiento térmico; [17] los calentadores acumuladores son un ejemplo. Los ASHP también pueden combinarse con calefacción solar pasiva . La masa térmica (como el hormigón o las rocas) calentada por el calor solar pasivo puede ayudar a estabilizar las temperaturas interiores, absorbiendo calor durante el día y liberándolo durante la noche, cuando las temperaturas exteriores son más frías y la eficiencia de la bomba de calor es menor.
Un buen aislamiento en el hogar es importante. [18] A partir de 2023, [actualizar]las ASHP son más grandes que las calderas de gas y necesitan más espacio exterior, por lo que el proceso es más complejo y puede ser más costoso que si fuera posible simplemente quitar una caldera de gas e instalar una ASHP en su lugar. [3] [19] Si los costos de funcionamiento son importantes, elegir el tamaño correcto es importante porque un ASHP que sea demasiado grande será más costoso de ejecutar. [20]
Puede resultar más complicado actualizar los sistemas de calefacción convencionales que utilizan radiadores/ paneles radiantes , calentadores de zócalo de agua caliente o incluso conductos de menor diámetro, con calor procedente de ASHP. Las temperaturas de salida más bajas de la bomba de calor significan que es posible que sea necesario reemplazar los radiadores (y posiblemente las tuberías) por otros de mayor tamaño o instalar en su lugar un sistema de calefacción por suelo radiante de baja temperatura . [21]
Alternativamente, 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 es posible que solo sean adecuadas para edificios que son difíciles de modificar o aislar, como algunos Grandes casas históricas. [22]
Se afirma que los ASHP son más saludables que la calefacción con combustibles fósiles, como los calentadores de gas, al mantener una temperatura más uniforme y evitar 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]
Por lo general, no se recomienda el funcionamiento de ASHP normales por debajo de -10 °C. [24] Sin embargo, los ASHP diseñados específicamente para climas muy fríos (en los EE. UU. están certificados bajo Energy Star [25] ) pueden extraer calor útil del aire ambiente hasta -30 °C (-22 °F), pero por debajo de -25 El calentamiento por resistencia eléctrica en °C puede ser más eficiente. [24] Esto es posible gracias al uso de compresores de velocidad variable, accionados 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 varias bombas de calor o una bomba de calor de alta temperatura. [27]
En algunas condiciones climáticas, se formará condensación y luego se congelará en los serpentines del intercambiador de calor de la unidad exterior, lo que reducirá el flujo de aire a través de los serpentines. 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 en circulación para este fin, lo que da como resultado una caída pequeña y probablemente imperceptible en la temperatura del agua; [28] para los sistemas aire-aire, el calor se toma del aire del edificio o mediante un calentador eléctrico. [29] Algunos sistemas aire-aire simplemente detienen el funcionamiento de los ventiladores de ambas unidades y cambian al modo de refrigeración, de modo que la unidad exterior vuelve a ser el condensador de modo que se calienta y 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 horarios para 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 forma de reducir el ruido en un barrio sensible. En edificios aislados, el funcionamiento se puede pausar por la noche sin una pérdida significativa de temperatura. Sólo a bajas temperaturas la protección contra heladas obliga a funcionar al cabo de unas horas. La ubicación adecuada también es importante. [30]
En Estados Unidos, el nivel de ruido nocturno permitido es de 45 decibelios ponderados A (dBA) . [31] En el Reino Unido, el límite se establece en 42 dB medido desde el vecino más cercano [32] según el estándar MCS 020 [33] o equivalente. [34] En Alemania, el límite en zonas residenciales es 35, que normalmente se mide según la norma europea EN 12102. [35]
Otra característica de los intercambiadores de calor externos de las bombas de calor con fuente de aire (ASHP) es la 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 vuelve a funcionar. Esta parte del ciclo de trabajo resulta en dos cambios bruscos del ruido que hace el ventilador. El efecto acústico de dicha perturbación es especialmente potente en entornos tranquilos donde el ruido de fondo nocturno puede ser tan bajo como de 0 a 10 dBA. Esto está incluido en la legislación francesa. Según el concepto francés de molestia acústica, la "emergencia de ruido" es la diferencia entre el ruido ambiental, incluido el ruido molesto, y el ruido ambiental sin ruido molesto. [36] [37] Por el contrario, una bomba de calor geotérmica no necesita una unidad exterior con componentes mecánicos móviles.
La eficiencia de las bombas de calor aerotérmicas se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP). Un COP de 4 significa que la bomba de calor produce 4 unidades de energía térmica por cada unidad de electricidad que consume. Dentro de rangos de temperatura de -3 °C (27 °F) a 10 °C (50 °F), el COP de muchas máquinas es bastante estable. Aproximadamente MaxCOP teórico = (desiredIndoorTempC + 273) ÷ (desiredIndoorTempC - outsideTempC). [ cita necesaria ] [38] [ se necesita mejor fuente ]
En un clima templado con una temperatura exterior de 10 °C (50 °F), el COP de las bombas de calor eficientes con fuente de aire 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 en el 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 entre el exterior y el interior, lo que en la mayoría de las bombas de calor de fuente de aire ocurre cuando las temperaturas exteriores se acercan a -18 °C (0 °F). [ cita necesaria ] La construcción de una bomba de calor que permite utilizar dióxido de carbono como refrigerante puede tener un COP superior a 2 incluso hasta -20 °C, lo que empuja la cifra de equilibrio hacia abajo a -30 °C (-22 °F). [ cita necesaria ] Una bomba de calor geotérmica 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 aerotérmicas 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 extendido. Los principales cambios están en la escala y el tipo de compresor y evaporador.
Las eficiencias de calefacción y refrigeración ajustadas estacionalmente vienen dadas por el factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF) y el índice de eficiencia energética estacional (SEER), respectivamente. En EE.UU. la eficiencia mínima legal es 14 o 15 SEER y 8,8 HSPF. [25]
Los compresores de velocidad variable son más eficientes porque a menudo pueden funcionar más lentamente y porque el aire pasa más lentamente, lo que le 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 ser inferiores a -25 °C. [44]
En los últimos 200 años, los estándares y requisitos para los nuevos refrigerantes han cambiado. Hoy en día se requiere un bajo potencial de calentamiento global (GWP), además de todos los requisitos anteriores de seguridad, practicidad, compatibilidad de materiales, vida atmosférica adecuada, [ se necesita aclaración ] y compatibilidad con productos de alta eficiencia. Para 2022, los dispositivos que utilizan refrigerantes con un PCA muy bajo todavía tendrán una pequeña participación de mercado, pero se espera que desempeñen un papel cada vez más importante 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 convencionales (HFC) 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 bajo PCA. A partir de 2023, CO[actualizar] más pequeño
2Las bombas de calor no están ampliamente disponibles y la investigación y el desarrollo de ellas continúan. [49] Un informe de 2024 decía que los refrigerantes con PCA son vulnerables a nuevas 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 reemplazos, 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. [52] Los HFC son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático. [53] [54] El éter dimetílico (DME) también ganó popularidad como refrigerante en combinación con R404a. [55] Los refrigerantes más recientes incluyen el difluorometano (R32) con un GWP más bajo, 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 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 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. Sin embargo, en 2022 se ofrecerán cada vez más dispositivos con R-290 para uso doméstico, especialmente en Europa. [ cita necesaria ]
Al mismo tiempo, [ ¿cuándo? ] Los refrigerantes HFC todavía dominan el mercado. Los mandatos gubernamentales recientes han visto la eliminación gradual del refrigerante R-22 . Se promocionan sustitutos como el R-32 y el R-410A como respetuosos con el medio ambiente, pero aún tienen un alto PCA. [63] Una bomba de calor normalmente utiliza 3 kg de refrigerante. Con el R-32 esta cantidad todavía tiene un impacto a 20 años equivalente a 7 toneladas de CO 2 , lo que corresponde a dos años de calefacción con gas natural en un hogar medio. Los refrigerantes con alto PAO ya se han eliminado. [ cita necesaria ]Las bombas de calor son clave 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]
Como los parques eólicos se utilizan cada vez más para suministrar electricidad a algunas redes, como en el territorio de Yukon en Canadá , el aumento de la carga invernal coincide bien con el aumento de la generación invernal de las turbinas eólicas , y los días más tranquilos resultan en una menor carga de calefacción para la mayoría de las casas, incluso si la temperatura del aire es bajo. [sesenta y cinco]
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 tejados 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 la perspectiva del sistema energético, en general es rentable diseñar bombas de calor con un COP nominal en el rango de 2,8 a 3,2, que normalmente tiene un costo específico". costará menos de 650 £/kWth, y simultáneamente invertir en mayores capacidades de tecnologías de generación de energía renovable y baterías, en primera instancia, seguidas por OCGT y CCGT con CCS". [69]
A partir de 2023, [actualizar]comprar e instalar un ASHP en una casa existente es costoso si no hay un subsidio gubernamental, pero el costo de vida útil probablemente será menor o similar al de una caldera de gas y un aire acondicionado. [70] [71] Esto generalmente también es cierto si no se requiere enfriamiento, ya que el ASHP probablemente durará más si solo se calienta. [72] El costo de vida útil de una bomba de calor aerotérmica se verá afectado por el precio de la electricidad en comparación con el del gas (cuando esté disponible), y puede tardar entre dos y diez años en 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 proviene de bombas de calor. En 2022, las bombas de calor se vendieron más que la calefacción basada en combustibles fósiles en Estados Unidos y Francia. [73] En el Reino Unido, las ventas anuales de bombas de calor han crecido constantemente en los últimos años con 26.725 bombas de calor vendidas en 2018, cifra que ha aumentado a 60.244 ventas de bombas de calor en 2023. [75] Se puede ayudar a las ASHP a competir aumentando el precio del gas fósil en comparación con el de la electricidad y utilizando precios de electricidad flexibles y 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 pidió mejores datos, especialmente sobre el aire-aire. [73]
Se cree que las ASHP necesitan menos mantenimiento que la calefacción con combustibles fósiles, y algunos dicen que las ASHP son más fáciles de mantener que las bombas de calor terrestres debido a la dificultad de encontrar y reparar fugas subterráneas. Instalar un ASHP demasiado pequeño podría acortar su vida útil (pero uno demasiado grande será menos eficiente). [77] Sin embargo, otros dicen que las calderas requieren menos mantenimiento que las ASHP. [78] Una encuesta de Consumer Reports encontró que "en promedio, alrededor de la mitad de las bombas de calor probablemente experimenten problemas al final del octavo año de propiedad". [79]
Las técnicas modernas de refrigeración química se desarrollaron tras la propuesta del ciclo de Carnot en 1824. Jacob Perkins inventó una máquina para fabricar hielo que utilizaba éter en 1843, y Edmond Carré construyó un refrigerador que utilizaba agua y ácido sulfúrico en 1850. En Japón, Fusanosuke Kuhara , fundador de Hitachi, Ltd. , fabricó un acondicionador de aire para uso doméstico utilizando 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 CO 2 (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 refrigerantes cuando se descubrieron sus efectos dañinos sobre la capa de ozono . Dos tipos alternativos de refrigerantes, los hidrofluorocarbonos ( HFC ) y los hidroclorofluorocarbonos ( HCFC ), también perdieron popularidad cuando fueron identificados como gases de efecto invernadero (además, se descubrió que los HCFC eran más dañinos para la capa de ozono de lo que se pensaba originalmente). El Convenio de Viena para la Protección de la Capa de Ozono , el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kioto exigen el abandono total de este tipo de refrigerantes de aquí a 2030.
En 1989, en medio de la preocupación internacional por los efectos de los clorofluorocarbonos e hidroclorofluorocarbonos en la capa de ozono, el científico Gustav Lorentzen y SINTEF patentaron un método para utilizar CO 2 como refrigerante en calefacción y refrigeración. Luego se llevaron a cabo más investigaciones sobre refrigeración con CO 2 en Shecco (Sustainable HEating and Cooling with CO 2 ) en Bruselas , Bélgica , lo que condujo a un uso cada vez mayor de la tecnología de refrigerantes de CO 2 en Europa. [81]
En 1993, la empresa japonesa Denso , en colaboración con Gustav Lorentzen, desarrolló un acondicionador de aire para automóviles que utiliza CO 2 como refrigerante. Demostraron la invención en la Conferencia Gustav Lorentzen del Instituto Internacional de Refrigeración 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 aire acondicionado utilizando materiales refrigerantes naturales en lugar de freón. Juntos produjeron 30 unidades prototipo para una instalación experimental de un año de duración en lugares de todo Japón , desde el clima frío de Hokkaidō hasta el más cálido Okinawa . Después de este exitoso estudio de viabilidad , Denso obtuvo una patente de SINTEF para comprimir refrigerante CO 2 para su uso en una bomba de calor en septiembre de 2000. A principios del siglo XXI, las bombas de calor de CO 2 , bajo la patente Ecocute, se hicieron populares para 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, y 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)