Todo lo que necesitas saber sobre el salvaje mundo de las bombas de calor

Jun 14, 2024

Las bombas de calor podrían ayudar a abordar el cambio climático y ahorrarle dinero. Así es como funcionan.

Tech Review lo explica: Deje que nuestros redactores desenreden el complejo y desordenado mundo de la tecnología para ayudarle a comprender lo que viene a continuación. Puede leer más aquí.

Estamos entrando en la era de la bomba de calor.

El concepto detrás de las bombas de calor es simple: alimentadas por electricidad, mueven el calor para enfriar o calentar los edificios. No es una idea nueva: se inventaron en la década de 1850 y se han utilizado en los hogares desde la década de 1960. Pero, de repente, se han convertido en el electrodoméstico más popular, puestos en el centro de atención por su potencial de ahorro de costos y beneficios climáticos, así como por recientes incentivos políticos.

Por simple que sea la idea básica, los detalles de cómo funcionan las bombas de calor son fascinantes. En nombre del control de la temperatura de su hogar, este dispositivo casi puede parecer que rompe las leyes de la física. Las bombas de calor también están mejorando: los nuevos modelos son más eficientes y más capaces de soportar el clima frío.

Así que profundicemos y descubramos qué es lo que hace funcionar una bomba de calor.

En un nivel alto, una bomba de calor recoge calor de un lugar y lo coloca en otro. Hablaremos principalmente de bombas de calor en el contexto de la calefacción, pero también se pueden usar para enfriar, recolectando calor del interior y enviándolo al exterior como un aire acondicionado. En realidad, muchas bombas de calor pueden funcionar a la inversa, ya sea calentando o enfriando, según lo que se necesite.

El héroe de una bomba de calor es el refrigerante: un fluido que se mueve en un circuito, absorbiendo y liberando calor a medida que avanza. La electricidad alimenta el sistema, empujando el refrigerante a lo largo del ciclo.

A medida que el refrigerante se mueve a través de la bomba de calor, se comprime y expande, cambiando entre forma líquida y gaseosa para permitirle acumular y liberar calor en diferentes puntos del ciclo. (Si esto es suficiente detalle para usted, no dude en pasar a la siguiente pregunta. De lo contrario, únase a mí en un viaje dentro de una bomba de calor para comprender cómo funciona todo esto).

Imagínese esto: es un día frío de invierno, digamos 25 °F (-5 °C). Estás sentado en el sofá de tu sala de estar con un buen libro y tu gato está acurrucado cerca. Miras el termostato, que está ajustado a 68 °F. Sensible, pero un poco fría. Te acercas y lo subes un poco, a 70 °F.

Su bomba de calor ha estado zumbando silenciosamente de fondo. Ahora las cosas aumentan un poco más para aumentar la temperatura: el ventilador y el compresor del interior se aceleran y el refrigerante comienza a moverse más rápido para transferir más calor del exterior al interior.

Puede parecer contradictorio recolectar calor del exterior cuando hace tanto frío, así que sigamos el refrigerante durante un ciclo para ver cómo funciona. Para la mayoría de las bombas de calor, el viaje dura sólo unos minutos.

Los refrigerantes de las bombas de calor tienen puntos de ebullición muy bajos, normalmente por debajo de -15 °F (-25 °C). Entonces, al comienzo de nuestro viaje, el refrigerante está a esa temperatura y en forma líquida. Incluso en los lugares más fríos, un refrigerante en este estado suele estar mucho más frío que el aire exterior (en nuestro caso, más de 40 grados más frío).

En la primera etapa de su viaje, el refrigerante fluye a través de un intercambiador de calor, pasa por el aire exterior y se calienta lo suficiente como para comenzar a hervir, cambiando de líquido a gas.

La segunda fase de su recorrido es un viaje a través del compresor. El compresor exprime el refrigerante en un volumen menor, aumentando su presión y punto de ebullición (esto será importante en un minuto). Esto también lo calienta más, por lo que cuando el refrigerante pasa por el compresor, hace más calor que la habitación interior.

El tercer tramo del viaje del refrigerante lo lleva a través de otro intercambiador de calor. Pero ahora, el refrigerante es un gas caliente, por encima de los 100 °F, y fluye a través de una habitación relativamente más fría. A medida que transfiere parte de ese calor a la habitación con la ayuda de un ventilador, comienza a volverse líquido.

Finalmente, en la cuarta etapa, el refrigerante líquido pasará por una válvula de expansión liberando la presión. Así como al apretar un material se calienta, expandirlo permite que se enfríe nuevamente, de modo que ahora el líquido vuelve a tener una temperatura baja y está listo para absorber más calor para llevarlo al interior.

La afirmación de que las bombas de calor no funcionan bien en climas realmente fríos la repiten a menudo las empresas de combustibles fósiles, que tienen un producto competidor para vender.

Hay algo de verdad en esto: las bombas de calor pueden ser menos eficientes en condiciones de frío extremo. A medida que aumenta la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, una bomba de calor tendrá que trabajar más para recolectar calor del aire exterior y dispersarlo en la habitación, por lo que la eficiencia disminuye.

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Pero incluso si las bombas de calor no funcionan con su máxima eficiencia en climas más fríos, "funcionan en todas partes", dice Sam Calisch, jefe de proyectos especiales de Rewiring America, un grupo sin fines de lucro centrado en la electrificación.

Hay bombas de calor funcionando en todas partes, desde Alaska hasta Maine, en Estados Unidos. Y alrededor del 60% de los edificios en Noruega se calientan con bombas de calor, junto con el 40% en Suecia y Finlandia.

Las bombas de calor pueden funcionar de manera eficiente incluso en los lugares más fríos. Aún así, elegir la bomba de calor adecuada es clave para asegurarse de que funcione bien cuando bajan las temperaturas, dice Andy Meyer, gerente senior de programas de Efficiency Maine, una agencia que ejecuta programas de eficiencia energética en el estado.

Algunas bombas de calor no están equipadas para calentar una habitación cuando está bajo cero, pero hay modelos que funcionan de manera eficiente en temperaturas más frías, dice Meyer. Los calentadores pequeños pueden ayudar a proporcionar respaldo para las olas de frío, pero si eliges un sistema de buen tamaño, no deberías necesitarlos, agrega.

Las mejoras en varios de sus componentes principales han ayudado a aumentar la eficiencia y el rendimiento de las bombas de calor, especialmente en climas fríos, afirma Meyer.

Una mejora importante está en los refrigerantes. El freón, también llamado R-22, solía dominar el mercado, pero ha sido eliminado gradualmente en Estados Unidos y otros mercados importantes por sus efectos destructores de la capa de ozono.

Hoy en día, una mezcla de productos químicos denominada R-410A es uno de los refrigerantes más utilizados en las bombas de calor. Además de ser ligeramente menos dañino para la capa de ozono, el R-410A tiene un punto de ebullición más bajo que el R-22, lo que significa que puede absorber más calor a temperaturas más bajas, lo que aumenta la eficiencia en el frío.

Otros componentes también han mejorado. Los nuevos compresores utilizados en las bombas de calor hoy en día pueden llevar los refrigerantes a presiones más altas usando menos energía. También hay nuevos compresores llamados de velocidad variable que permiten a las bombas de calor aumentar y disminuir su potencia. Finalmente, los intercambiadores de calor que transfieren calor entre el aire y el refrigerante son cada vez más grandes y mejores, para que puedan mover el calor de manera más efectiva.

Actualmente ya existe una amplia gama de bombas de calor disponibles. Aproximadamente el 85% de las instaladas son bombas de calor de aire como la que he descrito. Estos vienen en una amplia gama de formas y tamaños. Pero otros modelos, las llamadas bombas de calor geotérmicas o de fuente terrestre, recolectan calor del subsuelo en lugar de hacerlo del aire.

La calefacción de los edificios depende con frecuencia del gas natural o del combustible para calefacción, razón por la cual el sector representa alrededor del 10% de las emisiones globales en la actualidad. Las bombas de calor serán la tecnología central utilizada para reducir el impacto climático de la calefacción, predice Yannick Monschauer, analista de energía de la Agencia Internacional de Energía.

Las bombas de calor funcionan con electricidad de la red. Si bien las plantas de combustibles fósiles siguen ayudando a las redes eléctricas de todo el mundo, las energías renovables y las fuentes de energía bajas en carbono también contribuyen. Por eso, con la combinación energética actual en los principales mercados, las bombas de calor son mejores para el clima que la calefacción alimentada directamente con combustibles fósiles, afirma Monschauer.

El verdadero superpoder climático de las bombas de calor es su eficiencia. Las bombas de calor actuales pueden alcanzar una eficiencia del 300 % al 400 % o incluso más, lo que significa que producen de tres a cuatro veces más energía en forma de calor que la que utilizan en electricidad. Para un calefactor, el máximo teórico sería el 100% de eficiencia, y los mejores modelos actuales alcanzan alrededor del 95% de eficiencia.

La brecha de eficiencia entre las bombas de calor y los calentadores se reduce a cómo funcionan. Los calentadores portátiles funcionan transformando energía de la forma de electricidad a otra forma, calor.

Las bombas de calor, por otro lado, no convierten la electricidad en calor, sino que la utilizan para recolectar calor y moverlo. Es una diferencia sutil, pero básicamente significa que una bomba de calor puede devolver significativamente más calor usando la misma cantidad de electricidad.

La máxima eficiencia de una bomba de calor dependerá del refrigerante y del sistema que esté instalado, así como de la diferencia de temperatura entre la habitación que calienta y el exterior.

Los costos iniciales de las bombas de calor son una barrera importante para la adopción: comprar e instalar una sola unidad hoy puede costar entre $ 3000 y $ 6000, y las casas más grandes a menudo requieren varias unidades.

Pero a lo largo de su vida útil de unos 15 años, las bombas de calor ya son más baratas de comprar y operar que otros sistemas para algunos consumidores, especialmente si se utilizan para calentar y enfriar una casa durante diferentes épocas del año, dice Monschauer.

Y más de 30 países alrededor del mundo tienen programas de incentivos para bombas de calor, a menudo con bonificaciones para hogares de bajos ingresos o para quienes compran equipos de alta eficiencia. Italia tiene subsidios especialmente generosos para las bombas de calor que se instalan al modernizar los edificios para lograr eficiencia energética, y los clientes recuperan hasta el 110% del precio de compra como crédito fiscal.

En Estados Unidos, la Ley de Reducción de la Inflación ofrece un crédito fiscal del 30% sobre el precio de compra de una bomba de calor, con reembolsos adicionales para hogares de ingresos bajos y moderados. Para algunos hogares, la financiación podría cubrir el 100% del coste. Rewiring America tiene una calculadora para ayudar a las personas a determinar para qué subsidios IRA califican.

Si bien las bombas de calor son significativamente mejores que hace una década, todavía hay mucho potencial de crecimiento por delante para la tecnología.

Los nuevos diseños, como las unidades de ventana independientes de la startup Gradient, podrían reducir los costos de instalación. Otras empresas, como Midea y LG, también han empezado a ofrecer unidades pequeñas y portátiles. Estas nuevas opciones podrían permitir que las bombas de calor lleguen a nuevos espacios, como edificios de apartamentos más antiguos donde, de otro modo, la instalación podría ser costosa o imposible.

Un área madura para seguir avanzando es la de los refrigerantes. Si bien los refrigerantes actuales son una mejora con respecto a las opciones más antiguas, incluso los más nuevos generan potentes gases de efecto invernadero. Se requiere un manejo cuidadoso y una fabricación precisa para evitar fugas. Los beneficios climáticos de las bombas de calor superan el potencial de calentamiento de las fugas de refrigerantes, pero las alternativas podrían ayudar a reducir aún más este riesgo.

Gradient, por ejemplo, utiliza un refrigerante llamado R-32, que tiene un potencial de calentamiento global menor que el R-410A. Otras clases de refrigerantes, como los hidrocarburos propano y butano, plantean un riesgo climático aún menor. Sin embargo, algunos de estos refrigerantes más respetuosos con el clima tienden a ser extremadamente inflamables, por lo que se requieren sistemas de seguridad.

Los nuevos avances tecnológicos ayudarán a ampliar la ya enorme gama de bombas de calor en el mercado. Y los costos deberían reducirse con el tiempo a medida que la tecnología se vuelva más común.

Las ventas mundiales de bombas de calor crecieron un 15 % en 2021. Europa ha experimentado uno de los crecimientos más rápidos, con un crecimiento de las ventas del 35 % en 2021, una tendencia que probablemente continuará debido a la crisis energética. América del Norte todavía tiene el mayor número de hogares con bombas de calor instaladas en la actualidad, pero China se lleva el premio por la mayor cantidad de ventas nuevas.

Se mire donde se mire, la era de la bomba de calor ha comenzado oficialmente.

Actualización: esta historia se actualizó para agregar información adicional sobre el costo de la instalación de una bomba de calor para toda la casa.

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