En Estados Unidos, la eficiencia de los acondicionadores de aire a menudo se clasifica según el índice de eficiencia energética estacional (SEER) , que define el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración , una asociación comercial, en su estándar de 2008 AHRI 210/240, Clasificación de desempeño de equipos unitarios de aire acondicionado y bomba de calor de fuente de aire . [1] Un estándar similar es el índice de eficiencia energética estacional europeo (ESEER).
La clasificación SEER de una unidad es la producción de refrigeración durante una temporada de refrigeración típica dividida por el consumo total de energía eléctrica durante el mismo período. Cuanto mayor sea la clasificación SEER de la unidad, más eficiente energéticamente será. En los EE. UU., la SEER es la relación entre la refrigeración en unidades térmicas británicas (BTU) y la energía consumida en vatios-hora.
Por ejemplo, considere una unidad de aire acondicionado de 5000 BTU/h (capacidad de enfriamiento de 1465 vatios), con un SEER de 10 BTU/(W·h), que funciona durante un total de 1000 horas durante una temporada de enfriamiento anual (por ejemplo, 8 horas por día durante 125 días).
La producción total anual de refrigeración sería:
Con un SEER de 10 BTU/(W·h), el consumo anual de energía eléctrica sería de aproximadamente:
El consumo medio de energía también se puede calcular de forma más sencilla:
Si su costo de electricidad es de $0,20/(kW·h), entonces su costo por hora de funcionamiento es:
El índice de eficiencia energética (EER) de un dispositivo de refrigeración en particular es la relación entre la energía de refrigeración de salida (en BTU) y la energía eléctrica de entrada (en vatios-hora) en un punto de funcionamiento determinado. El EER se calcula generalmente utilizando una temperatura exterior de 95 °F (35 °C) y una temperatura interior (en realidad, del aire de retorno) de 80 °F (27 °C) y una humedad relativa del 50 %.
El EER está relacionado con el coeficiente de rendimiento ( COP ) comúnmente utilizado en termodinámica , con la principal diferencia que el COP de un dispositivo de refrigeración no tiene unidades, porque el numerador y el denominador se expresan en las mismas unidades. El EER utiliza unidades mixtas, por lo que no tiene un sentido físico inmediato y se obtiene multiplicando el COP por el factor de conversión de BTU a vatios-hora: EER = 3,41214 × COP (ver unidad térmica británica ).
El índice de eficiencia energética estacional (SEER) también es el COP (o EER) expresado en BTU/vatio-hora, pero en lugar de evaluarse en una única condición de funcionamiento, representa el rendimiento general esperado para el clima de un año típico en una ubicación determinada. El SEER se calcula, por tanto, con la misma temperatura interior, pero en un rango de temperaturas exteriores de 65 °F (18 °C) a 104 °F (40 °C), con un cierto porcentaje de tiempo especificado en cada uno de los 8 intervalos que abarcan 5 °F (2,8 °C). No se tienen en cuenta los diferentes climas en esta clasificación, que tiene como objetivo dar una indicación de cómo el EER se ve afectado por un rango de temperaturas exteriores a lo largo de una temporada de refrigeración.
EER típico para unidades de refrigeración centrales residenciales = 0,875 × SEER. SEER es un valor más alto que el EER para el mismo equipo. [1]
Un método más detallado para convertir SEER a EER utiliza esta fórmula:
Un SEER de 13 es aproximadamente equivalente a un EER de 11 y un COP de 3,2, lo que significa que se eliminan 3,2 unidades de calor del interior por cada unidad de energía utilizada para hacer funcionar el aire acondicionado.
El SEER y el EER de un acondicionador de aire están limitados por las leyes de la termodinámica . El proceso de refrigeración con la máxima eficiencia posible es el ciclo de Carnot . El COP de un acondicionador de aire que utiliza el ciclo de Carnot es:
donde es la temperatura interior y es la temperatura exterior. Ambas temperaturas deben medirse utilizando una escala de temperatura termodinámica basada en el cero absoluto, como Kelvin o Rankine . El EER se calcula multiplicando el COP por 3,412 BTU/W⋅h como se describe anteriormente:
Suponiendo una temperatura exterior de 95 °F (35 °C) y una temperatura interior de 80 °F (27 °C), la ecuación anterior da (cuando las temperaturas se convierten a las escalas Kelvin o Rankine) un COP de 36, o un EER de 120. Esto es aproximadamente 10 veces más eficiente que un acondicionador de aire doméstico típico disponible en la actualidad.
El EER máximo disminuye a medida que aumenta la diferencia entre la temperatura del aire interior y exterior, y viceversa. En un clima desértico donde la temperatura exterior es de 120 °F (49 °C), el COP máximo cae a 13, o un EER de 46 (para una temperatura interior de 80 °F (27 °C)).
El SEER máximo se puede calcular promediando el EER máximo sobre el rango de temperaturas esperadas para la temporada.
La clasificación SEER refleja la eficiencia general del sistema en función de la temporada y la EER refleja la eficiencia energética del sistema en una condición de funcionamiento específica. Ambas clasificaciones son útiles para elegir productos, pero se debe utilizar la misma clasificación para las comparaciones.
Se pueden obtener ahorros de energía sustanciales con sistemas más eficientes. Por ejemplo, al actualizar de SEER 9 a SEER 13, el consumo de energía se reduce en un 30% (equivalente a 1 − 9/13).
Si se tienen en cuenta las unidades existentes que aún funcionan y se mantienen bien, y se tiene en cuenta el valor temporal del dinero , puede resultar más rentable conservar las unidades existentes en lugar de reemplazarlas de manera proactiva. Sin embargo, la eficiencia de los acondicionadores de aire puede degradarse significativamente con el tiempo. [3]
Pero, ya sea para reemplazar equipos o para especificar nuevas instalaciones, hay una variedad de SEER disponibles. Para la mayoría de las aplicaciones, las unidades con SEER mínimo o casi mínimo son las más rentables, pero cuanto más largas sean las temporadas de enfriamiento, más altos serán los costos de electricidad y cuanto más tiempo los compradores serán dueños de los sistemas, más justificadas están las unidades con SEER incrementales. Ahora hay disponibles unidades de aire acondicionado residenciales con sistema dividido de SEER 20 o más. Las unidades con SEER más alto generalmente tienen serpentines más grandes y múltiples compresores, y algunas también tienen flujo de refrigerante variable y flujo de aire de suministro variable.
En 1987 se aprobó una ley que entró en vigor en 1992 y que exige una clasificación SEER mínima de 10. [4] Es raro ver sistemas con una clasificación SEER inferior a 9 en los Estados Unidos porque las unidades antiguas existentes se están reemplazando por unidades nuevas de mayor eficiencia.
A partir de enero de 2006, se exigió un SEER mínimo de 13. [5] Estados Unidos exige que los sistemas residenciales fabricados después de 2005 tengan un SEER mínimo de 13. Los acondicionadores de aire centrales con certificación ENERGY STAR deben tener un SEER de al menos 14,5. Las unidades de ventana están exentas de esta ley, por lo que sus SEER siguen rondando el 10.
En 2011, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) revisó las normas de conservación de energía para imponer estándares mínimos elevados y estándares regionales para los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado residenciales. [6] El enfoque regional reconoce las diferencias en la optimización de costos que resultan de las diferencias climáticas regionales. Por ejemplo, hay poco beneficio en términos de costos en tener una unidad de aire acondicionado con un SEER muy alto en Maine, un estado en el noreste de los Estados Unidos.
A partir del 1 de enero de 2015, los acondicionadores de aire centrales de sistema dividido instalados en la región sureste de los Estados Unidos de América deben tener al menos 14 SEER. La región sureste incluye Alabama, Arkansas, Delaware, Florida, Georgia, Hawái, Kentucky, Luisiana, Maryland, Misisipi, Carolina del Norte, Oklahoma, Carolina del Sur, Tennessee, Texas y Virginia. De manera similar, los acondicionadores de aire centrales de sistema dividido instalados en la región suroeste deben tener un mínimo de 14 SEER y 12,2 EER a partir del 1 de enero de 2015. La región suroeste está formada por Arizona, California, Nevada y Nuevo México. Los acondicionadores de aire centrales de sistema dividido instalados en todos los demás estados fuera de las regiones sureste y suroeste deben seguir teniendo un mínimo de 13 SEER, que es el requisito nacional actual. [6]
En los últimos 10 años se han producido muchos avances nuevos en tecnología eficiente que han permitido a los fabricantes aumentar drásticamente sus índices SEER para mantenerse por encima de los mínimos requeridos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. [ cita requerida ]
A partir del 1 de enero de 2023, los productos de refrigeración estarán sujetos a eficiencias mínimas regionales, de acuerdo con el índice de eficiencia energética estacional 2 (SEER2) . El nuevo procedimiento de prueba M1 [7] está diseñado para reflejar mejor las condiciones de campo actuales. El DOE aumenta la presión estática externa de los sistemas del SEER actual (0,1 pulg. de agua) al SEER2 (0,5 pulg. de agua). Estas condiciones de presión se idearon para considerar los sistemas con ductos que se verían en el campo. Con este cambio, se utilizará una nueva nomenclatura para denotar las clasificaciones M1 (incluidos EER2 y HSPF2). [8]
La energía eléctrica se mide generalmente en kilovatios (kW). La energía eléctrica se mide generalmente en kilovatios-hora (kW·h). Por ejemplo, si una carga eléctrica que consume 1,5 kW de energía eléctrica funciona durante 8 horas, utiliza 12 kW·h de energía eléctrica. En los Estados Unidos, a un cliente residencial de electricidad se le cobra en función de la cantidad de energía eléctrica utilizada. En la factura del cliente, la empresa de servicios públicos indica la cantidad de energía eléctrica, en kilovatios-hora (kW·h), que el cliente ha utilizado desde la última factura, y el coste de la energía por kilovatio-hora (kW·h).
Los tamaños de los acondicionadores de aire a menudo se expresan en "toneladas" de enfriamiento , donde 1 tonelada de enfriamiento equivale a 12 000 BTU/h (3,5 kW). 1 tonelada de enfriamiento equivale a la cantidad de energía que debe aplicarse de forma continua durante un período de 24 horas para derretir 1 tonelada de hielo.
El coste anual de la energía eléctrica consumida por un aparato de aire acondicionado se puede calcular de la siguiente manera:
Ejemplo 1:
Un aparato de aire acondicionado con una potencia nominal de 72.000 BTU/h (21 kW) (6 toneladas), con una calificación SEER de 10, funciona 1000 horas al año a un coste de energía eléctrica de 0,12 dólares por kilovatio-hora (kW·h). ¿Cuál es el coste anual de la energía eléctrica que utiliza?
Ejemplo 2.
Una residencia cerca de Chicago tiene un acondicionador de aire con una capacidad de enfriamiento de 4 toneladas y una clasificación SEER de 10. La unidad funciona 120 días al año durante 8 horas al día (960 horas al año) y el costo de energía eléctrica es de $0,10 por kilovatio-hora. ¿Cuál es su costo anual de operación en términos de energía eléctrica? Primero, convertimos toneladas de enfriamiento a BTU/h:
El costo anual de la energía eléctrica es:
Hoy en día, hay unidades de aire acondicionado minisplit (sin conductos) disponibles con clasificaciones SEER de hasta 42. [10] [11] Durante la AHR Expo de 2014, Mitsubishi presentó una nueva unidad de aire acondicionado minisplit sin conductos con una clasificación SEER de 30,5. [12] GREE también lanzó un minisplit con clasificación SEER de 30,5 en 2015. [13] Carrier lanzó un aire acondicionado sin conductos de 42 SEER durante la feria de electrónica de consumo (CES) de 2018, celebrada en Las Vegas. [14] Los sistemas de aire acondicionado tradicionales con conductos tienen clasificaciones SEER máximas ligeramente inferiores a estos niveles. Además, en la práctica, los sistemas centrales tendrán una relación de eficiencia energética alcanzada entre un 10 y un 20 % inferior a la clasificación de la placa de identificación debido a las pérdidas relacionadas con los conductos.
Además, existen unidades de aire acondicionado residenciales de fuente terrestre con clasificaciones SEER de hasta 75. [15] Sin embargo, la eficiencia efectiva de la bomba de calor de fuente terrestre depende de la temperatura del suelo o de la fuente de agua utilizada. Los climas cálidos tienen una temperatura del suelo o del agua superficial mucho más alta que los climas fríos y, por lo tanto, no podrán lograr tales eficiencias. Además, el esquema de clasificación ARI para bombas de calor de fuente terrestre les permite ignorar en gran medida la potencia de bomba requerida en sus clasificaciones, lo que hace que los valores SEER alcanzables a menudo sean prácticamente inferiores a los de los equipos de fuente de aire de mayor eficiencia, en particular para la refrigeración por aire. Existe una variedad de tecnologías que permitirán que las clasificaciones SEER y EER aumenten aún más en el futuro cercano. [16] Algunas de estas tecnologías incluyen compresores rotativos, inversores, motores sin escobillas de CC, variadores de velocidad y sistemas integrados como los que se encuentran en el aire acondicionado alimentado con energía solar . [16]
Un ciclo de refrigeración puede funcionar como una bomba de calor para trasladar el calor del exterior a una casa más cálida. Una bomba de calor con una clasificación SEER más alta para el modo de refrigeración también suele ser más eficiente en el modo de calefacción, clasificado mediante HSPF . Cuando funciona en modo de calefacción, una bomba de calor suele ser más eficiente que un calentador de resistencia eléctrica. Esto se debe a que un calentador de ambiente puede convertir solo la energía eléctrica de entrada directamente en energía térmica de salida, mientras que una bomba de calor transfiere calor del exterior. En el modo de calefacción, el coeficiente de rendimiento es la relación entre el calor proporcionado y la energía utilizada por la unidad. Un calentador de resistencia ideal que convierta el 100% de su electricidad de entrada en calor de salida tendría un COP = 1, equivalente a un EER de 3,4. La bomba de calor se vuelve menos eficiente a medida que disminuye la temperatura exterior, y su rendimiento puede llegar a ser comparable al de un calentador de resistencia. Para una bomba de calor con una eficiencia de refrigeración mínima de 13 SEER, esto suele estar por debajo de los −10 °F (−23 °C). [17]
Las temperaturas más bajas pueden hacer que una bomba de calor funcione por debajo de la eficiencia de un calentador de resistencia, por lo que las bombas de calor convencionales a menudo incluyen serpentines calefactores o calefacción auxiliar de gas licuado de petróleo o gas natural para evitar un funcionamiento de baja eficiencia del ciclo de refrigeración. Las bombas de calor para "climas fríos" están diseñadas para optimizar la eficiencia por debajo de 0 °F (−18 °C). A partir de 2023, se comercializan bombas de calor que extraen calor de temperaturas exteriores tan bajas como −40 °F (−40 °C). En el caso de los climas fríos, las bombas de calor de agua o de fuente terrestre suelen ser la solución más eficiente. Utilizan la temperatura relativamente constante del agua subterránea o del agua en un gran circuito enterrado para moderar las diferencias de temperatura en verano e invierno y mejorar el rendimiento durante todo el año. El ciclo de la bomba de calor se invierte en verano para actuar como un acondicionador de aire.
