El aire acondicionado solar , o "aire acondicionado alimentado por energía solar", se refiere a cualquier sistema de aire acondicionado (refrigeración) que utiliza energía solar .
Esto se puede hacer mediante diseño solar pasivo , conversión de energía solar térmica y conversión fotovoltaica (luz solar en electricidad). La Ley de Seguridad e Independencia Energética de EE. UU. de 2007 [1] creó fondos de 2008 a 2012 para un nuevo programa de investigación y desarrollo de aire acondicionado solar, que debería desarrollar y demostrar múltiples innovaciones tecnológicas y economías de escala de producción en masa .
A finales del siglo XIX, el fluido más común para el enfriamiento por absorción era una solución de amoníaco y agua. Hoy en día, la combinación de bromuro de litio y agua también es de uso común. Un extremo del sistema de tuberías de expansión/condensación se calienta y el otro extremo se enfría lo suficiente como para producir hielo. Originalmente, el gas natural se utilizaba como fuente de calor a finales del siglo XIX. Hoy en día, el propano se utiliza en refrigeradores de absorción para vehículos recreativos. Los colectores solares térmicos para agua caliente también se pueden utilizar como fuente de calor moderna de "energía gratuita". Un informe patrocinado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en 1976 examinó las aplicaciones de aire acondicionado de los sistemas de energía solar. Las técnicas discutidas incluyeron tanto energía solar (ciclo de absorción y motor térmico/ ciclo Rankine ) como 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 aire acondicionado o, ahora, energía directa para los acondicionadores de aire. La energía fotovoltaica indirecta para acondicionadores de aire consiste en energía solar para toda la casa o 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 en corriente alterna (CA) para hacer funcionar los electrodomésticos de la casa o edificio, incluido el aire acondicionado. La ventaja de esto es que los aires acondicionados no necesitan ningún sistema electrónico 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 debido a la conversión de energía de CC ( corriente continua ) solar 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 no funciona, ya que, en efecto, la casa o el edificio con medidor neto es un nodo en la red, y las empresas de servicios públicos deben evitar la retroalimentación de energía a una red inactiva cuando la red no funciona. . Y ahora, los acondicionadores de aire, al igual que muchos electrodomésticos (por ejemplo, televisores, computadoras) están comenzando a funcionar con corriente continua. Por lo tanto, la energía solar de todo el edificio para tales unidades debe invertirse a corriente alterna y luego rectificarse nuevamente a corriente directa, 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. Dichos 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 para la casa o el edificio. Como no están conectados a la red ni tienen medición neta, pueden operar después de que una tormenta u otro evento corte la energía de la red. Sin embargo, una vez más, la energía debe convertirse de CC de los paneles solares y baterías a CA mediante inversión para alimentar los electrodomésticos de forma remota.
Más recientemente, se han desarrollado auténticas bombas de calor para aires acondicionados fotovoltaicos que funcionan con energía solar. Estas unidades funcionan con energía CC y, como tales, pueden hacer uso, y de hecho lo hacen, de la energía CC inherente generada por los paneles solares fotovoltaicos. Una versión mini split de estas unidades emplea un bus de alimentación 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 baterías para toda la casa, estas baterías sólo 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 mini split permite que los paneles solares se conecten directamente a la parte exterior de la unidad, utiliza un bus de alimentación de CC de 310 V y ofrece energía de red de respaldo enchufable opcional de 120 V (Airspool) que se puede aprovechar para cubrir cualquier falta de energía solar. potencia disponible. La ventaja de estos aires acondicionados de CC con inversor es el 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 alta eficiencia. Los motores y compresores de CC aceleran para que requieran muy poca potencia de funcionamiento, y ambos también ofrecen calor además de aire acondicionado. Un tercer tipo de unidad está disponible para edificios más grandes, generalmente comerciales, y ofrece respaldo de red y batería, así como medición neta opcional. [ cita necesaria ] Al igual que las dos unidades más pequeñas, estas unidades son VRF , pero a diferencia de ellas, existe la opción de hacer funcionar la calefacción en una parte del edificio y el aire acondicionado en otra parte, utilizando una unidad exterior/condensadora y varias interiores/ Unidades evaporativas ubicadas en diferentes áreas del edificio para acondicionar esas áreas en función de las necesidades específicas del usuario. [ cita necesaria ]
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 aire acondicionado SEER 20 de 29 kW (100 000 BTU/h) requeriría menos de 5 kW en 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 no utilizan más que un ventilador y un suministro de agua para enfriar edificios sin agregar humedad interior adicional (como en el Aeropuerto McCarran de Las Vegas, Nevada). En climas secos y áridos con una humedad relativa inferior al 45% (aproximadamente el 40% de los EE. UU. continentales), los enfriadores evaporativos indirectos pueden alcanzar un SEER superior a 20 y hasta SEER 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 dólares por vatio fotovoltaico, el costo amortizado de la electricidad generada por energía fotovoltaica puede ser inferior a 0,15 dólares por kWh. Actualmente, esto es rentable en algunas áreas donde la electricidad de las compañías eléctricas ahora cuesta $0,15 o más. El exceso de energía fotovoltaica generada cuando no se requiere aire acondicionado puede venderse a la red eléctrica en muchos lugares, lo que puede reducir o eliminar el requisito de compra neta anual de electricidad. (Ver Edificio de energía cero )
Se puede diseñar una eficiencia energética superior en construcciones nuevas (o modernizar edificios existentes). Desde que se creó el Departamento de Energía de EE. UU. en 1977, su Programa de Asistencia para la Climatización ha reducido la carga de calefacción y refrigeración en 5,5 millones de hogares asequibles de bajos ingresos en un promedio del 31%. Cien millones de edificios estadounidenses todavía necesitan una mejor climatización. Las prácticas descuidadas de construcción convencional siguen produciendo nuevos edificios ineficientes que necesitan climatización cuando se ocupan por primera vez.
Los tubos de protección o enfriamiento de la tierra pueden aprovechar la temperatura ambiente de la tierra para reducir o eliminar los requisitos de aire acondicionado convencionales. En muchos climas donde vive la mayoría de los humanos, pueden reducir en gran medida la acumulación de calor indeseable en verano y también ayudar 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 enfriamiento de la Tierra no son rentables en ambientes tropicales cálidos y húmedos donde la temperatura ambiente de la Tierra se acerca a la zona de confort de la temperatura humana. Se puede utilizar una chimenea solar o un ventilador fotovoltaico para expulsar el calor no deseado y aspirar aire más frío y deshumidificado que ha 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 el SEER para calefacción y refrigeración. Un pozo profundo recircula agua para extraer la temperatura ambiente de la tierra, generalmente 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 dañar los serpentines de la bomba de calor y acortar la vida útil del equipo. Otro método es un sistema de circuito cerrado, en el que un circuito de tubería se hace pasar por uno o varios pozos, o en 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 asegurar una buena conductividad térmica a la tierra. [3]
En el pasado, el líquido elegido 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 eventualmente engomaría algunas partes de los bucles, por lo que ha caído en desgracia. Hoy [ ¿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 bomba de calor pero con resultados muy disminuidos. El agua a temperatura ambiente de la tierra se bombea a través de un radiador cubierto (como el radiador de un automóvil). El aire circula a través del radiador, que se enfría sin un aire acondicionado basado en compresor. Los paneles eléctricos solares fotovoltaicos producen electricidad para la bomba de agua y el ventilador, eliminando las facturas de servicios públicos de aire acondicionado convencionales. Este concepto es rentable, siempre y cuando la ubicación tenga una temperatura ambiente de la tierra por debajo de la zona de confort térmico humano (no en los trópicos).
El aire puede pasar sobre desecantes sólidos comunes (como gel de sílice o zeolita ) o desecantes líquidos (como bromuro/cloruro de litio) para extraer la 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 baja energía y un motor para hacer girar lentamente un disco grande lleno de desecante.
Los sistemas de ventilación con recuperación de energía proporcionan una forma controlada de ventilar una casa minimizando al mismo tiempo 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 el invierno transfiriendo calor del aire caliente del interior que sale al aire fresco (pero frío) del suministro. En verano, el aire interior enfría el aire de suministro entrante más cálido para reducir los costos de enfriamiento por ventilación. [5] Este sistema de ventilación con ventilador y motor de bajo consumo de energía puede funcionar de manera rentable con energía fotovoltaica , con un escape de convección natural mejorado hacia una chimenea solar ; el flujo de aire entrante hacia abajo sería convección forzada ( advección ).
Un desecante como el cloruro de calcio se puede mezclar 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 baja velocidad alimentada por energía fotovoltaica para hacer circular el líquido. [6]
Enfriamiento solar activo en el que los colectores solares térmicos proporcionan energía de entrada para un sistema de enfriamiento desecante. Hay varios sistemas disponibles comercialmente que soplan 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 forma de alimentar el ciclo de regeneración. En teoría, se pueden utilizar torres empaquetadas para formar un flujo a 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 la caída de presión pueda reducirse con el uso de un empaquetamiento adecuado. [7]
En este tipo de refrigeración, la energía solar térmica no se utiliza directamente para crear un ambiente frío ni impulsar ningún proceso de refrigeración directo. En cambio, el diseño de edificios solares tiene como objetivo reducir la velocidad de transferencia de calor hacia un edificio en el verano y mejorar la eliminación del calor no deseado. 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, una señal 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 fresco 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 procedente del revestimiento del techo calentado por el sol.
La refrigeración solar pasiva es mucho más fácil de lograr en construcciones nuevas que adaptando edificios existentes. Hay muchos detalles de diseño involucrados en el enfriamiento solar pasivo. Es un elemento principal en el diseño de un edificio 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 a base de 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 una enfriadora de absorción y se recircula de regreso a los colectores. El calor proporcionado al generador impulsa un ciclo de enfriamiento que produce agua fría. El agua enfriada producida se utiliza para refrigeración comercial e industrial a gran escala.
La energía solar térmica se puede utilizar para enfriar eficientemente en verano y también para calentar agua caliente sanitaria y edificios en invierno. En diferentes diseños de sistemas de refrigeración solar térmica se utilizan ciclos de refrigeración por absorción iterativos simples, dobles o triples. Cuantos más ciclos, más eficientes son. Los enfriadores de 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 nominalmente requieren agua a al menos 190 °F (88 °C). Los colectores solares térmicos de placa plana, comunes y económicos, solo producen aproximadamente 160 °F (71 °C) de agua. Se necesitan colectores de placa plana de alta temperatura, de concentración (CSP) o de tubos de vacío para producir los fluidos de transferencia de temperatura más altos necesarios. En instalaciones a gran escala hay varios proyectos exitosos tanto técnica como económicamente en funcionamiento en todo el mundo, incluyendo, 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 el Villa Olímpica de Vela en Qingdao/China. En el año 2011 se pondrá en funcionamiento la planta más potente del nuevo United World College de Singapur (1.500 kW).
Estos proyectos han demostrado que los colectores solares de placa plana especialmente desarrollados 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 los 88 °C (190 °F), se puede almacenar y utilizar cuando no brilla el sol.
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 poco después de su puesta en servicio y ya no recibe mantenimiento. [ cita necesaria ] Southern California Gas Co. (The Gas Company) también está probando la practicidad de los sistemas de enfriamiento solar térmico en su Centro de Recursos Energéticos (ERC) en Downey, California . Se instalaron colectores solares de Sopogy y Cogenra en la azotea del ERC y producen refrigeración para el sistema de aire acondicionado del edificio. [14] La ciudad de Masdar en los Emiratos Árabes Unidos también está probando una planta de refrigeración por absorción de doble efecto utilizando colectores cilindroparabólicos Sopogy , [15] el conjunto Mirroxx Fresnel y paneles solares térmicos de alto vacío TVP Solar. [dieciséis]
Una instalación de clasificación de FedEx Ground en Davenport, Florida, utiliza un sistema de aire acondicionado solar térmico para alimentar aire frío a los remolques de camiones estacionados en las puertas de carga. [17]
Desde hace 150 años, los enfriadores de absorción se utilizan 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 el sol no brilla, como lo fue en 1995 en el Hotel New Otani de Tokio en Japón. [19] Hay modelos matemáticos disponibles en el dominio público para calcular el rendimiento del almacenamiento de energía térmica basado en hielo. [20]
La máquina de hielo solar ISAAC es un ciclo solar intermitente de absorción de amoníaco-agua. ISAAC utiliza un colector solar cilindro-parabólico de diseño compacto y eficiente para producir hielo sin combustible ni aporte eléctrico, además de sin partes móviles. [21]
Las principales razones para emplear colectores de concentración en sistemas de refrigeración solar son: aire acondicionado de alta eficiencia mediante acoplamiento con enfriadores de doble/triple efecto; y refrigeración solar al servicio de los usuarios finales industriales, posiblemente en combinación con calor de proceso y vapor. [22]
En cuanto a las aplicaciones industriales, varios estudios realizados en los últimos años destacaron que existe un alto potencial para la refrigeración (temperaturas por debajo de 0 °C) en diferentes áreas del mundo (por ejemplo, el Mediterráneo, [23] América Central [24] ). Sin embargo, esto se puede lograr mediante enfriadores de absorción de amoníaco/agua que requieren un aporte de calor a alta temperatura en el generador, en un rango (120 ÷ 180 °C) que sólo puede satisfacerse 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 energía cero incluyen tecnologías de construcción sustentables y ecológicas que pueden reducir significativamente o eliminar las facturas netas de energía anuales. El logro supremo es el edificio autónomo totalmente fuera de la red que no necesita estar conectado a empresas de servicios públicos. En climas cálidos con importantes grados día de requerimiento de enfriamiento, el aire acondicionado solar de última generación será un factor crítico de éxito cada vez más importante .
