El aire acondicionado solar , o "aire acondicionado alimentado con energía solar", se refiere a cualquier sistema de aire acondicionado (refrigeración) que utiliza energía solar .
Esto se puede lograr mediante el diseño solar pasivo , la conversión de energía solar térmica y la conversión fotovoltaica (luz solar en electricidad). La Ley de Independencia y Seguridad Energética de los Estados Unidos de 2007 [1] creó fondos para el período 2008-2012 para un nuevo programa de investigación y desarrollo de aire acondicionado solar, que debería desarrollar y demostrar múltiples innovaciones tecnológicas nuevas y economías de escala de producción en masa .
A finales del siglo XIX, el fluido más común para la refrigeración por absorción era una solución de amoníaco y agua. Hoy en día, también se utiliza habitualmente la combinación de bromuro de litio y agua. Un extremo del sistema de tuberías de expansión/condensación se calienta y el otro extremo se enfría lo suficiente como para fabricar hielo. Originalmente, a finales del siglo XIX se utilizaba gas natural como fuente de calor. Hoy en día, el propano se utiliza en los refrigeradores de absorción de vehículos recreativos. Los colectores de energía solar térmica de agua caliente también se pueden utilizar como la fuente de calor moderna de "energía libre". Un informe patrocinado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en 1976 examinó las aplicaciones del sistema de energía solar para el aire acondicionado. Las técnicas analizadas incluían tanto las alimentadas por energía solar (ciclo de absorción y motor térmico/ ciclo Rankine ) como las relacionadas con la energía solar (bomba de calor), junto con una extensa bibliografía de literatura relacionada. [2]
La energía fotovoltaica puede proporcionar energía solar indirecta para el aire acondicionado o, ahora, energía directa para los acondicionadores de aire. La energía fotovoltaica indirecta para los acondicionadores de aire consiste en energía solar para toda la casa o todo el edificio, lo que, tradicionalmente para la mayoría de los usuarios, también ha significado medición neta a la red. En este caso, la energía solar se invierte a corriente alterna (CA) para hacer funcionar los electrodomésticos de la casa o el edificio, incluido el aire acondicionado o los acondicionadores de aire. La ventaja de esto es que los acondicionadores de aire no necesitan ninguna electrónica especial para adaptarse a la energía solar, por lo que es una implementación sencilla. La desventaja es que estos acondicionadores de aire generalmente tienen un valor SEER de 14 o menos, y la energía solar suministrada tiene cierta pérdida por la conversión de energía solar CC ( corriente continua ) a CA incluso antes de que llegue a los acondicionadores de aire. Otra desventaja es que estos acondicionadores de aire no pueden funcionar cuando la red está caída, ya que, en efecto, la casa o el edificio con medición neta es un nodo en la red, y las empresas de servicios públicos deben evitar la retroalimentación de energía a una red muerta cuando la red está caída. Y ahora, los aparatos de aire acondicionado, al igual que muchos electrodomésticos (por ejemplo, televisores y ordenadores), están empezando a funcionar con corriente continua. Por lo tanto, la energía solar que se utiliza en todo el edificio para estas unidades debe invertirse a corriente alterna y luego rectificarse de nuevo a corriente continua, lo que aumenta aún más las ineficiencias.
En cambio, los paneles solares fuera de la red utilizan baterías para suministrar energía solar a toda la casa o al edificio. Estos sistemas emplean un controlador de voltaje para gestionar la carga de la batería y, luego, la energía de la batería se invierte para proporcionar corriente alterna a la casa o al edificio. Como no están conectados a la red ni cuentan con medidores netos, pueden funcionar después de que una tormenta u otro evento deje de funcionar la red. Sin embargo, la energía, una vez más, debe convertirse de CC de los paneles solares y las baterías a CA por inversión para hacer funcionar la energía de forma remota a los electrodomésticos.
Más recientemente, se han desarrollado bombas de calor de aire acondicionado fotovoltaico que funcionan con energía solar. Estas unidades funcionan con energía de CC y, como tales, pueden hacer uso de la energía de CC inherente generada por los paneles solares fotovoltaicos. Una versión minisplit de estas unidades emplea un bus de energía de CC de 48 V y un conjunto de baterías de 48 V, generalmente 4 baterías de 12 V en serie (por ejemplo, Hotspot Energy). Sin embargo, a diferencia del sistema de batería para toda la casa, estas baterías solo hacen funcionar el aire acondicionado. La ventaja de estos sistemas es que, con suficiente capacidad solar y de batería, pueden funcionar de noche o cuando está nublado. Otra versión minisplit permite enchufar los paneles solares directamente a la parte exterior de la unidad, utiliza un bus de energía de CC de 310 V y ofrece energía de red de respaldo enchufable opcional de 120 V (Airspool) que se puede aprovechar para compensar cualquier falta de energía solar disponible. La ventaja de estos acondicionadores de aire de CC con inversor es su menor costo, mientras que la desventaja es que no tienen forma de funcionar sin energía solar a menos que estén enchufados. Ambos sistemas utilizan tecnología de flujo de refrigerante variable , con motores y compresores de CC de velocidad variable de alta eficiencia que requieren muy poca energía de funcionamiento, y ambos también ofrecen calor además de aire acondicionado. Hay un tercer tipo de unidad disponible para edificios más grandes, generalmente comerciales, y ofrece respaldo de red y batería, así como medición neta opcional. [ cita requerida ] Al igual que las dos unidades más pequeñas, estas unidades son VRF , pero a diferencia de ellas, existe una opción para hacer funcionar la calefacción en una parte del edificio y el aire acondicionado en otra parte, haciendo uso de una unidad exterior/condensadora y múltiples unidades interiores/evaporativas ubicadas en diferentes áreas del edificio para acondicionar esas áreas según las necesidades específicas del usuario. [ cita requerida ]
La energía fotovoltaica también se puede combinar con la tecnología geotérmica. Un sistema de aire acondicionado geotérmico eficiente requeriría un sistema fotovoltaico más pequeño y menos costoso. Una instalación de bomba de calor geotérmica de alta calidad puede tener un SEER en el rango de 20 (±). Un acondicionador de aire SEER 20 de 29 kW (100.000 BTU/h) requeriría menos de 5 kW durante su funcionamiento.
También están apareciendo en el mercado nuevos sistemas de aire acondicionado eléctricos sin compresor con un SEER superior a 20. Las nuevas versiones de enfriadores evaporativos indirectos de cambio de fase utilizan únicamente un ventilador y un suministro de agua para enfriar los edificios sin añadir humedad interior adicional (como en el Aeropuerto McCarran de Las Vegas, Nevada). En climas áridos y secos con una humedad relativa inferior al 45 % (alrededor del 40 % de los EE. UU. continentales), los enfriadores evaporativos indirectos pueden alcanzar un SEER superior a 20 y hasta 40. Un enfriador evaporativo indirecto de 29 kW (100 000 BTU/h) solo necesitaría suficiente energía fotovoltaica para el ventilador de circulación (más un suministro de agua).
Un sistema fotovoltaico de potencia parcial menos costoso puede reducir (pero no eliminar) la cantidad mensual de electricidad comprada a la red eléctrica para aire acondicionado (y otros usos). Con subsidios del gobierno estatal estadounidense de $2,50 a $5,00 por vatio fotovoltaico, el costo amortizado de la electricidad generada por PV puede ser inferior a $0,15 por kWh. Esto es actualmente rentable en algunas áreas donde la electricidad de la compañía eléctrica ahora cuesta $0,15 o más. El exceso de energía fotovoltaica generada cuando no se necesita aire acondicionado se puede vender a la red eléctrica en muchos lugares, lo que puede reducir o eliminar la necesidad de compra neta anual de electricidad. (Véase Edificio de energía cero )
Se puede diseñar una mayor eficiencia energética en las nuevas construcciones (o incorporarla a los edificios existentes). Desde que se creó el Departamento de Energía de Estados Unidos en 1977, su Programa de Asistencia para la Climatización ha reducido la carga de calefacción y refrigeración en 5,5 millones de viviendas asequibles de bajos ingresos en un promedio del 31%. Cien millones de edificios estadounidenses aún necesitan una mejor climatización. Las prácticas de construcción convencionales descuidadas siguen produciendo edificios nuevos ineficientes que necesitan climatización cuando se ocupan por primera vez.
Los tubos de refrigeración o de protección terrestre pueden aprovechar la temperatura ambiente de la tierra para reducir o eliminar los requisitos de aire acondicionado convencional. En muchos climas donde vive la mayoría de los seres humanos, pueden reducir en gran medida la acumulación de calor indeseable en verano y también ayudan a eliminar el calor del interior del edificio. Aumentan el costo de construcción, pero reducen o eliminan el costo de los equipos de aire acondicionado convencionales.
Los tubos de refrigeración terrestres no son rentables en entornos tropicales cálidos y húmedos donde la temperatura ambiente de la Tierra se acerca a la zona de confort térmico humano. Se puede utilizar una chimenea solar o un ventilador alimentado con energía fotovoltaica para extraer el calor no deseado y aspirar aire más frío y deshumidificado que haya pasado por superficies a temperatura ambiente de la Tierra. El control de la humedad y la condensación son cuestiones de diseño importantes.
Una bomba de calor geotérmica utiliza la temperatura ambiente de la tierra para mejorar la SEER para calefacción y refrigeración. Un pozo profundo recircula agua para extraer la temperatura ambiente de la tierra, normalmente a 8 litros (2 galones estadounidenses) de agua por tonelada métrica por minuto. Estos sistemas de "circuito abierto" eran los más comunes en los primeros sistemas, sin embargo, la calidad del agua podía causar daños a las bobinas de la bomba de calor y acortar la vida útil del equipo. Otro método es un sistema de circuito cerrado, en el que se hace pasar un bucle de tubería por un pozo o pozos, o por zanjas en el césped, para enfriar un fluido intermedio. Cuando se utilizan pozos, se rellenan con lechada de bentonita u otro material de lechada para garantizar una buena conductividad térmica hacia la tierra. [3]
En el pasado, el fluido de elección era una mezcla 50/50 de propilenglicol porque no es tóxico a diferencia del etilenglicol (que se utiliza en los radiadores de los automóviles). El propilenglicol es viscoso y, con el tiempo, obstruía algunas piezas de los circuitos, por lo que ha caído en desuso. Hoy en día [ ¿cuándo? ] , el agente de transferencia más común es una mezcla de agua y alcohol etílico (etanol).
La temperatura ambiente de la Tierra es mucho más baja que la temperatura máxima del aire en verano y mucho más alta que la temperatura extrema más baja del aire en invierno. El agua es 25 veces más conductora térmica que el aire, por lo que es mucho más eficiente que una bomba de calor de aire exterior (que se vuelve menos efectiva cuando la temperatura exterior baja en invierno).
El mismo tipo de pozo geotérmico se puede utilizar sin una bomba de calor, pero con resultados muy inferiores. El agua a temperatura ambiente de la Tierra se bombea a través de un radiador cubierto (como el radiador de un automóvil). El aire se sopla a través del radiador, que se enfría sin un acondicionador de aire basado en compresor. Los paneles solares fotovoltaicos producen electricidad para la bomba de agua y el ventilador, eliminando las facturas de los servicios públicos de aire acondicionado convencionales. Este concepto es rentable, siempre que la ubicación tenga una temperatura ambiente de la Tierra por debajo de la zona de confort térmico humano (no los trópicos).
El aire puede pasar sobre desecantes sólidos comunes (como gel de sílice o zeolita ) o líquidos (como bromuro/cloruro de litio) para extraer humedad del aire y permitir un ciclo de enfriamiento mecánico o evaporativo eficiente . Luego, el desecante se regenera utilizando energía solar térmica para deshumidificar, en un ciclo rentable, de bajo consumo de energía y que se repite continuamente. [4] Un sistema fotovoltaico puede alimentar un ventilador de circulación de aire de bajo consumo y un motor para girar lentamente un disco grande lleno de desecante.
Los sistemas de ventilación con recuperación de energía proporcionan una forma controlada de ventilar una casa y, al mismo tiempo, minimizan la pérdida de energía. El aire pasa a través de una " rueda de entalpía " (que a menudo utiliza gel de sílice) para reducir el costo de calentar el aire ventilado en invierno al transferir el calor del aire interior cálido que se expulsa al aire de suministro fresco (pero frío). En verano, el aire interior enfría el aire de suministro entrante más cálido para reducir los costos de enfriamiento de la ventilación. [5] Este sistema de ventilación con ventilador y motor de bajo consumo puede funcionar de manera rentable con energía fotovoltaica , con un escape de convección natural mejorado a través de una chimenea solar ; el flujo de aire entrante descendente sería convección forzada ( advección ).
Se puede mezclar un desecante como el cloruro de calcio con agua para crear una cascada de recirculación que deshumidifica una habitación utilizando energía solar térmica para regenerar el líquido y una bomba de agua de bajo consumo alimentada por energía fotovoltaica para hacer circular el líquido. [6]
Refrigeración solar activa en la que los colectores solares térmicos proporcionan energía de entrada para un sistema de refrigeración desecante. Existen varios sistemas disponibles comercialmente que hacen pasar aire a través de un medio impregnado de desecante tanto para el ciclo de deshumidificación como para el de regeneración. El calor solar es una de las formas en que se alimenta el ciclo de regeneración. En teoría, se pueden utilizar torres empaquetadas para formar un flujo de contracorriente del aire y el desecante líquido, pero normalmente no se emplean en máquinas disponibles comercialmente. Se ha demostrado que el precalentamiento del aire mejora en gran medida la regeneración del desecante. La columna empaquetada produce buenos resultados como deshumidificador/regenerador, siempre que se pueda reducir la caída de presión con el uso de un relleno adecuado. [7]
En este tipo de refrigeración, la energía solar térmica no se utiliza directamente para crear un ambiente frío ni para impulsar ningún proceso de refrigeración directo. En cambio, el diseño de edificios solares tiene como objetivo reducir la velocidad de transferencia de calor hacia el interior de un edificio en verano y mejorar la eliminación del calor no deseado. Esto implica una buena comprensión de los mecanismos de transferencia de calor : conducción de calor , transferencia de calor por convección y radiación térmica , esta última principalmente procedente del sol.
Por ejemplo, un signo de un diseño térmico deficiente es un ático que se calienta más en verano que la temperatura máxima del aire exterior. Esto se puede reducir o eliminar significativamente con un techo frío o un techo verde , que puede reducir la temperatura de la superficie del techo en 70 °F (40 °C) en verano. Una barrera radiante y un espacio de aire debajo del techo bloquearán aproximadamente el 97 % de la radiación descendente del revestimiento del techo calentado por el sol.
La refrigeración solar pasiva es mucho más fácil de conseguir en una nueva construcción que mediante la adaptación de edificios ya existentes. La refrigeración solar pasiva implica muchos aspectos específicos de diseño. Es un elemento fundamental en el diseño de un edificio de consumo de energía cero en un clima cálido.
El aire acondicionado de circuito cerrado suele utilizar los siguientes materiales para la absorción a base de agua:
Una alternativa a los sistemas basados en agua es utilizar metanol con carbón activado. [8]
La refrigeración solar activa utiliza colectores solares térmicos para proporcionar energía solar a enfriadores accionados térmicamente (normalmente enfriadores de adsorción o absorción). [9] La energía solar calienta un fluido que proporciona calor al generador de un enfriador de absorción y se recircula de nuevo a los colectores. El calor proporcionado al generador impulsa un ciclo de refrigeración que produce agua fría. El agua fría producida se utiliza para refrigeración comercial e industrial a gran escala.
La energía solar térmica se puede utilizar para enfriar de manera eficiente en verano y también para calentar agua caliente sanitaria y edificios en invierno. En los diferentes diseños de sistemas de refrigeración solar térmica se utilizan ciclos iterativos de refrigeración por absorción simples, dobles o triples. Cuantos más ciclos, más eficientes son. Los enfriadores por absorción funcionan con menos ruido y vibración que los enfriadores basados en compresores, pero sus costos de capital son relativamente altos. [10]
Los enfriadores de absorción eficientes requieren nominalmente agua a una temperatura de al menos 190 °F (88 °C). Los colectores solares térmicos de placa plana, comunes y económicos , sólo producen agua a unos 160 °F (71 °C). Se necesitan colectores de placa plana, de concentración (CSP) o de tubo de vacío de alta temperatura para producir los fluidos de transferencia de temperatura más alta requeridos. En instalaciones a gran escala, existen varios proyectos exitosos tanto técnica como económicamente en funcionamiento en todo el mundo, incluidos, por ejemplo, en la sede de Caixa Geral de Depósitos en Lisboa con 1.579 metros cuadrados (17.000 pies cuadrados) de colectores solares y 545 kW de potencia de refrigeración o en la Villa Olímpica de Vela en Qingdao / China. En 2011 se pondrá en funcionamiento la planta más potente en el recién construido United World College de Singapur (1500 kW).
Estos proyectos han demostrado que los colectores solares de placa plana desarrollados especialmente para temperaturas superiores a 200 °F (93 °C) (con doble acristalamiento, mayor aislamiento posterior, etc.) pueden ser eficaces y rentables. [11] Cuando el agua se puede calentar muy por encima de 190 °F (88 °C), se puede almacenar y utilizar cuando el sol no brilla.
El Centro Ambiental Audubon en el Parque Regional Ernest E. Debs en Los Ángeles tiene un ejemplo de instalación de aire acondicionado solar, [12] [13] que falló bastante pronto después de la puesta en servicio y ya no se le realiza mantenimiento. [ cita requerida ] La Southern California Gas Co. (The Gas Company) también está probando la viabilidad de los sistemas de enfriamiento térmico solar en su Centro de Recursos Energéticos (ERC) en Downey, California . Los colectores solares de Sopogy y Cogenra se instalaron en el techo del ERC y están produciendo refrigeración para el sistema de aire acondicionado del edificio. [14] Masdar City en los Emiratos Árabes Unidos también está probando una planta de enfriamiento de absorción de doble efecto utilizando colectores de canal parabólico Sopogy , [15] matriz Fresnel Mirroxx y paneles solares térmicos de alto vacío TVP Solar. [16]
Una instalación de clasificación de FedEx Ground en Davenport, Florida, utiliza un sistema de aire acondicionado solar térmico para suministrar aire frío a los remolques de camiones estacionados en las puertas de carga. [17]
Durante 150 años, se han utilizado enfriadores de absorción para fabricar hielo (antes de que se inventaran las bombillas eléctricas). [18] Este hielo se puede almacenar y utilizar como una "batería de hielo" para enfriar cuando no brilla el sol, como sucedió en el Hotel New Otani de Tokio en Japón en 1995. [19] Hay modelos matemáticos disponibles en el dominio público para los cálculos del rendimiento del almacenamiento de energía térmica basados en hielo. [20]
El generador de hielo solar ISAAC es un ciclo intermitente de absorción solar de amoníaco y agua. El ISAAC utiliza un colector solar de canal parabólico con un diseño compacto y eficiente para producir hielo sin combustible ni aporte eléctrico, así como sin partes móviles. [21]
Las principales razones para emplear colectores concentradores en sistemas de refrigeración solar son: aire acondicionado de alta eficiencia mediante el acoplamiento con enfriadores de doble/triple efecto; y refrigeración solar para usuarios finales industriales, posiblemente en combinación con calor y vapor de proceso. [22]
En cuanto a las aplicaciones industriales, varios estudios realizados en los últimos años han puesto de relieve que existe un alto potencial de refrigeración (temperaturas inferiores a 0 °C) en diferentes zonas del planeta (por ejemplo, el Mediterráneo [23] , América Central [24] ). Sin embargo, esto se puede conseguir mediante enfriadores de absorción de amoniaco/agua que requieren una entrada de calor a alta temperatura en el generador, en un rango (120 ÷ 180 °C) que sólo se puede satisfacer mediante colectores solares de concentración. Además, varias aplicaciones industriales requieren tanto refrigeración como vapor para los procesos, y los colectores solares de concentración pueden ser muy ventajosos en el sentido de que se maximiza su uso.
Los objetivos de los edificios de consumo de energía cero incluyen tecnologías de construcción ecológicas y sostenibles que pueden reducir significativamente o eliminar las facturas energéticas netas anuales. El logro supremo es el edificio totalmente autónomo que no necesita estar conectado a las empresas de servicios públicos. En climas cálidos con una importante necesidad de grados-día de refrigeración, el aire acondicionado solar de vanguardia será un factor de éxito cada vez más importante .
