Las bombas de calor son uno de los métodos más eficientes para calefacción y refrigeración en hogares de diversos climas. Pero, ¿pueden los sistemas de bomba de calor seguir funcionando en temperaturas por debajo de los 20 grados Fahrenheit (aproximadamente -6,7 grados Celsius)?
Contrario a la creencia común, las bombas de calor modernas para climas fríos pueden proporcionar calefacción de manera efectiva incluso cuando las temperaturas bajan por debajo de los -10 grados Celsius (14 grados Fahrenheit). Incluso a estas bajas temperaturas, las mejores bombas de calor para climas fríos siguen siendo más eficientes en términos energéticos en comparación con las estufas y calderas.
Solo es necesario preguntar a los millones de propietarios de viviendas en la península escandinava para comprender esto. La tasa de instalación de bombas de calor en Noruega, Finlandia y Suecia es más rápida que en cualquier otro lugar de Europa. Podrías pensar: “Los escandinavos parecen hacer todo mejor que el resto del mundo.”
Sin embargo, algunos estados en los Estados Unidos han adoptado las bombas de calor a un ritmo más rápido que los países mencionados anteriormente, incluyendo algunas de las regiones de clima más frío. El año pasado, en el estado de Maine, se vendieron 50 unidades por cada 1,000 hogares, ligeramente por encima del país europeo líder, Noruega. En cambio, otras regiones de los Estados Unidos vendieron 23 unidades por cada 1,000 hogares.
Evidencia convincente sugiere que las bombas de calor también pueden ahorrar una cantidad significativa de dinero a la mayoría de los propietarios de viviendas. Los datos del modelo ResStock del NREL muestran cuánto dinero pueden ahorrar los propietarios de viviendas promedio en diferentes estados al cambiarse a bombas de calor.
Por ejemplo, en Maine, el propietario promedio puede ahorrar $718 al año. En el frío y poblado estado de Nueva York, el propietario promedio puede ahorrar $637 anuales. Los millones de propietarios en este estado que utilizan aceite para calefacción pueden ahorrar $976 por año. Pensilvania: $935. Massachusetts: $838. Ohio: $676. Ya te haces una idea. En las regiones con muchas áreas frías, usar bombas de calor es la forma más rentable de calefaccionar las viviendas mientras se ahorra dinero en el proceso.
Tres Mitos Sobre las Bombas de Calor para Climas Fríos
Pero, ¿por qué muchos contratistas y propietarios de viviendas todavía creen que las bombas de calor no son efectivas en climas fríos? Mi teoría es que tres mitos son los culpables:
- Mito de la Capacidad:Las bombas de calor no pueden generar suficiente calor para mantener su hogar cómodo en clima frío.
- Mito de la Eficiencia: Las bombas de calor pierden su ventaja de eficiencia a medida que bajan las temperaturas.
- Mito del Costo: Las bombas de calor son demasiado caras de operar en clima frío debido a la menor eficiencia.
Es importante aclarar que todos estos son mitos. Sin embargo, como muchas mentiras, tienen raíces en la verdad. A veces, la capacidad de las bombas de calor puede no coincidir con la carga de una vivienda, lo que las hace ineficaces para ciertos climas y hogares.
En el resto de este artículo, mi objetivo es desmentir estos mitos y profundizar en por qué algunas bombas de calor funcionan en climas fríos mientras que otras no.
¿Cómo Funciona una Bomba de Calor en Climas Fríos?
¿Cómo Funcionan las Bombas de Calor en Invierno?
Antes de adentrarnos en desmentir estos mitos, es útil comprender lo básico sobre cómo funcionan las bombas de calor en clima frío. A diferencia de los métodos tradicionales de calefacción, como las estufas o los radiadores eléctricos, las bombas de calor no producen calor directamente al quemar combustible. En su lugar, utilizan una pequeña cantidad de energía para hacer funcionar un compresor, transfiriendo efectivamente el calor de un lugar a otro.
Incluso en los días fríos, el aire exterior contiene algo de calor, aunque no sea evidente a simple vista. Las bombas de calor absorben este calor y lo transfieren a su hogar. Este principio fundamental permite que las bombas de calor tomen una unidad de energía (en forma de un vatio de electricidad) y expulsen tres o cuatro unidades de calor (normalmente medida en unidades térmicas británicas o BTU). Más técnicamente, al usar un poco de energía para hacer funcionar el compresor, las bombas de calor pueden lograr un coeficiente de rendimiento (COP) mayor que 1.
Puntos clave a tener en cuenta:
- Incluso en los días fríos, el aire exterior contiene energía.
- Las bombas de calor llevan esta energía a su hogar.
- El resultado es un sistema de calefacción altamente eficiente.
Con esta comprensión, empecemos a desmentir los mitos.
Mito de la Capacidad
El primer mito a desmentir es el “Mito de la Capacidad”, que afirma que las bombas de calor no tienen la capacidad para proporcionar suficiente calor a los hogares en los días fríos. Anteriormente, mencioné dos términos: carga y capacidad. Para entender por qué el “Mito de la Capacidad” no es cierto, es útil comprender estos dos conceptos.
La carga de calefacción de una casa se refiere a la energía necesaria para mantener la casa a una temperatura confortable. La carga cambia con las fluctuaciones de temperatura. En un día soleado de 70 grados, la carga es esencialmente cero. En días más fríos, este valor aumenta considerablemente. El sistema de calefacción debe trabajar más para mantener la comodidad en el hogar. La carga también depende de características únicas de la casa, como la cantidad de aislamiento o el tipo de puertas y ventanas. Una casa de 1850 sin aislamiento necesitará más energía que una casa nueva. La carga es solo una forma técnica de describir y medir todo esto.
La capacidad se refiere a la cantidad de calor (o refrigeración, en el caso del aire acondicionado) que un sistema HVAC puede proporcionar. Si la carga es la fuga en el fondo de un balde, entonces la capacidad es el grifo que vierte más agua. A diferencia de otros sistemas HVAC, las bombas de calor no tienen una capacidad fija. Por ejemplo, una estufa podría tener una capacidad fija de 100,000 BTU durante todo el año, independientemente del clima, mientras que la capacidad de una bomba de calor puede variar entre 40,000 y 60,000.
Esto tiene sentido cuando lo piensas. Mencioné anteriormente que las bombas de calor capturan efectivamente el calor del aire exterior y lo transfieren al interior. Cuanto más baja es la temperatura, menos energía está disponible para capturar. Como resultado, la capacidad disminuye. Mientras que la capacidad no caiga por debajo de la carga, la calefacción funcionará bien. Pero si un contratista subdimensiona el sistema, tu casa podría sentirse incómodamente fría en los días fríos.
En el ejemplo anterior, esto podría suceder a unos -7 grados Celsius (19.4 grados Fahrenheit). En ese punto, tu casa no se convierte instantáneamente en un refrigerador. No, el sistema de calefacción de respaldo se activa, esencialmente convirtiendo tu bomba de calor en un calefactor. Este método no es tan eficiente como el compresor, pero dado que la calefacción de respaldo se usa durante menos del 1% del año en promedio, no impacta significativamente en los costos operativos.
En la energía del hogar, pocas cosas son blancas o negras. En una casa con fugas, una bomba de calor de baja capacidad no será suficiente. Y si vives en un lugar que regularmente cae por debajo de -22 grados Fahrenheit (aproximadamente -30 grados Celsius), incluso una buena bomba de calor podría no manejar toda la carga de calefacción; aquí es donde las mejores bombas de calor para climas fríos sobresalen.
Pero para la gran mayoría de los estadounidenses, las bombas de calor pueden entregar el 100% de su capacidad, manteniendo sus hogares cómodos durante todo el año. La mayoría de las quejas sobre bombas de calor que no funcionan en climas fríos provienen de errores del usuario (a menudo de los instaladores), no de la tecnología subyacente.
Mito de la Eficiencia
Anteriormente mencioné la maravilla de las bombas de calor, que convierten una unidad de energía en tres o cuatro unidades de calor. Sin embargo, esta relación (conocida como el coeficiente de rendimiento o COP) no es un número fijo. Cuanto más frío esté afuera, más difícil será para una bomba de calor extraer eficientemente el calor del aire y transferirlo a tu hogar. Por lo tanto, a medida que la temperatura baja, el COP disminuye.
Pero una idea errónea común, el “Mito de la Eficiencia”, es que el COP cae por debajo de 1 alrededor de los 30 o 40 grados Fahrenheit (aproximadamente -1 a 4 grados Celsius). Si esto fuera cierto, significaría que necesitarías 1 unidad de energía para producir solo 0.8 unidades de calor. En ese punto, usar calefactores resistivos o estufas de gas podría tener más sentido, ya que estos sistemas pueden convertir del 80 al 100% de su energía en calor.
Sin embargo, esto no es así. Las bombas de calor modernas para climas fríos, en comparación con sus predecesoras, pueden lograr COPs superiores a 1 incluso en temperaturas extremadamente frías. Muchas de ellas logran COPs entre 2 y 3 a temperaturas alrededor de los 30 o 40 grados Fahrenheit.
El gráfico a continuación muestra el COP de una bomba de calor Mitsubishi para climas fríos durante una serie de pruebas realizadas en Alaska. Como puedes ver, el COP generalmente se mantiene por encima de 1 hasta alrededor de los -10 grados Fahrenheit (aproximadamente -23 grados Celsius).
En otras palabras, la eficiencia de esta bomba de calor es más alta que la de cualquier otro sistema hasta que la temperatura llega a los -10 grados Fahrenheit. Entonces, hasta que la temperatura descienda a los -10 grados Fahrenheit, la eficiencia de esta bomba de calor es mejor que la de cualquier sistema competidor. ¿Cuántas horas al año las temperaturas en tu región bajan de los -10 grados Fahrenheit?
Conclusión: Incluso en climas extremadamente fríos, las bombas de calor actuales son la forma más eficiente de energía para calefaccionar los hogares.
Mito del Costo
La mayoría de las personas no se preocupan por los BTU y los COP. Quieren saber cuánto cuesta algo en dólares. Aquí es donde todas estas comparaciones se vuelven un poco complicadas. Los precios de la energía en los Estados Unidos varían considerablemente dependiendo de dónde vivas. En Connecticut, la electricidad cuesta un poco más de 20 centavos por kilovatio-hora.
En Luisiana, los mismos electrones cuestan 10 centavos por kilovatio-hora. El gas natural sigue un rango similar. En Florida, el gas natural residencial cuesta alrededor de $2 por unidad. En Idaho, cuesta 65 centavos por unidad. Además, cada clima y hogar es diferente. Todos necesitan una cantidad distinta de energía para mantenerse calientes en invierno.
Estimar el costo para cada hogar en los EE. UU. utilizando diferentes combustibles y equipos requiere supercomputadoras que manejen millones de puntos de datos. Afortunadamente, estas existen. En 2017, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) emprendió una misión para encontrar las mejores oportunidades de eficiencia energética para cada casa unifamiliar en los EE. UU.
Después de aproximadamente un año de recopilación de datos, estos datos fueron ingresados en algoritmos. Una de las computadoras más potentes del país pasó alrededor de 9 meses realizando todos los cálculos. Este esfuerzo monumental permitió a los investigadores comprender cuánto dinero podrían ahorrar los propietarios de viviendas promedio cada año al cambiar a equipos de calefacción más eficientes. Entonces, ¿qué encontraron?
Para la gran mayoría del país, las bombas de calor son la forma más rentable de calefaccionar los hogares. El punto más relevante aquí es que, incluso en climas fríos, las bombas de calor pueden ahorrar a las personas cientos o incluso miles de dólares anualmente, disipando efectivamente el mito de que las bombas de calor son demasiado caras para usarse en climas fríos. De manera similar, aquí están algunos ahorros que los propietarios típicos en estados con climas fríos pueden esperar:
Los únicos lugares donde las personas podrían no ahorrar dinero al cambiar a bombas de calor son:
- Si están haciendo la transición de una estufa de gas y el gas natural es significativamente más barato.
- Si el gas natural es mucho más barato que la electricidad en su área.
Sin embargo, si gastas una cantidad considerable en calefacción de tu hogar cada año, ya sea en Florida o Maine, las bombas de calor probablemente te ahorrarán dinero. Si actualmente usas sistemas estándar de electricidad, aceite o propano para calefacción, es casi seguro que ahorrarás dinero. Con el tiempo, se espera que estos ahorros aumenten.
Muchos analistas de energía anticipan que, a medida que los gobiernos empiecen a fijar precios sobre la contaminación por carbono y las empresas de servicios públicos construyan más energía renovable económica, los precios del gas natural subirán y los precios de la electricidad bajarán. Mientras tanto, la eficiencia de las bombas de calor continúa mejorando, alcanzando la eficiencia máxima teórica. Esto significa que no solo las bombas de calor actuales funcionan en climas fríos, sino que funcionarán aún mejor en el futuro.
Preguntas Frecuentes
¿Pueden las bombas de calor funcionar por debajo de los 20 grados Fahrenheit?
Sí, incluso cuando las temperaturas bajan por debajo de -10 grados Fahrenheit, las bombas de calor modernas para climas fríos pueden proporcionar calefacción de manera efectiva para los hogares. A estas temperaturas, las mejores bombas de calor para climas fríos siguen siendo más eficientes en energía que las estufas y calderas.
¿A qué temperatura dejan de funcionar las bombas de calor?
Las mejores bombas de calor para climas fríos pueden operar de manera efectiva a temperaturas alrededor de -10 grados Fahrenheit. Muchas de estas bombas de calor vienen con elementos de calefacción de respaldo que se activan a temperaturas por debajo de este punto para mantener el calor interior.