En los Estados Unidos, la eficiencia de los acondicionadores de aire a menudo se clasifica según el índice de eficiencia energética estacional (SEER), definido por el Instituto de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración , una asociación comercial, en su estándar de 2008 AHRI 210/240, Rendimiento. Calificación de equipos unitarios de aire acondicionado y bomba de calor aerotérmico . [1] Un estándar similar es el índice europeo de eficiencia energética estacional (ESEER).
La clasificación SEER de una unidad es la producción de refrigeración durante una temporada de refrigeración típica dividida por la entrada total de energía eléctrica durante el mismo período. Cuanto mayor sea la calificación SEER de la unidad, más eficiente energéticamente será. En EE. UU., el SEER es la relación entre la refrigeración en unidades térmicas británicas (BTU) y la energía consumida en vatios-hora. El coeficiente de rendimiento ( COP ), una medida de eficiencia sin unidades más universal, se analiza en la siguiente sección.
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), funcionando 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 mediante:
Si su costo de electricidad es $0.20/(kW·h), entonces su costo por hora de operación es:
El índice de eficiencia energética (EER) de un dispositivo de enfriamiento en particular es la relación entre la energía de enfriamiento de salida (en BTU) y la energía eléctrica de entrada (en vatios-hora) en un punto de funcionamiento determinado. El EER generalmente se calcula utilizando una temperatura exterior de 95 °F (35 °C) y una temperatura interior (en realidad, 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 de que el COP de un dispositivo de enfriamiento 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 operativa, representa el rendimiento general esperado para el clima de un año típico en un lugar determinado. . Por lo tanto, el SEER se calcula 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 contenedores que abarcan 5 °F (2,8 °C). No se tienen en cuenta diferentes climas en esta clasificación, cuyo objetivo es dar una indicación de cómo el EER se ve afectado por un rango de temperaturas exteriores durante el transcurso de una temporada de enfriamiento.
EER típico para unidades de refrigeración central residencial = 0,875 × SEER. SEER es un valor más alto que 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 unidad de energía utilizada para hacer funcionar el aire acondicionado.
El SEER y EER de un aire acondicionado 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 aire acondicionado 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 arriba:
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 49 °C (120 °F), el COP máximo cae a 13, o un EER de 46 (para una temperatura interior de 27 °C (80 °F)).
El SEER máximo se puede calcular promediando el EER máximo en el rango de temperaturas esperadas para la temporada.
La calificación SEER refleja la eficiencia general del sistema por temporada y el EER refleja la eficiencia energética del sistema en una condición operativa específica. Ambas calificaciones son útiles a la hora de elegir productos, pero se debe utilizar la misma calificación para realizar comparaciones.
Se pueden obtener importantes ahorros de energía mediante sistemas más eficientes. Por ejemplo, al actualizar de SEER 9 a SEER 13, el consumo de energía se reduce en un 30 % (igual a 1 − 9/13).
Con unidades existentes que todavía son funcionales y están bien mantenidas, cuando se considera el valor del dinero en el tiempo , retener las unidades existentes en lugar de reemplazarlas proactivamente puede ser lo más rentable. Sin embargo, la eficiencia de los acondicionadores de aire puede degradarse significativamente con el tiempo. [3]
Pero al reemplazar equipos o especificar nuevas instalaciones, hay disponible una variedad de SEER. Para la mayoría de las aplicaciones, las unidades SEER mínimas o casi mínimas son las más rentables, pero cuanto más largas sean las temporadas de enfriamiento, mayores sean los costos de electricidad y más tiempo los compradores sean propietarios de los sistemas, más se justifica que las unidades SEER incrementalmente más altas. Ya están disponibles unidades residenciales de aire acondicionado con sistema dividido de SEER 20 o más. Las unidades SEER superiores suelen tener serpentines más grandes y múltiples compresores, y algunas también tienen flujo de refrigerante y flujo de aire de suministro variables.
En 1987, se aprobó una legislación que entró en vigor en 1992, que exigía una calificación SEER mínima de 10. [4] Es raro ver sistemas con una calificación inferior a SEER 9 en los Estados Unidos porque las unidades antiguas y antiguas están siendo reemplazadas por unidades nuevas y de mayor eficiencia.
A partir de enero de 2006 se requería un mínimo de SEER 13. [5] Estados Unidos exige que los sistemas residenciales fabricados después de 2005 tengan una calificación SEER mínima de 13. Los acondicionadores de aire centrales con calificación ENERGY STAR deben tener una calificación SEER de al menos 14,5. Las unidades de ventana están exentas de esta ley, por lo que sus SEER todavía rondan los 10.
En 2011, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) revisó las reglas de conservación de energía para imponer estándares mínimos elevados y estándares regionales para los sistemas HVAC residenciales. [6] El enfoque regional reconoce las diferencias en la optimización de costos resultantes de las diferencias climáticas regionales. Por ejemplo, hay pocos beneficios en términos de costos al tener una unidad de aire acondicionado SEER muy alto en Maine, un estado en el noreste de Estados Unidos.
A partir del 1 de enero de 2015, los aires acondicionados 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, Hawaii, Kentucky, Luisiana, Maryland, Mississippi, 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 aires acondicionados 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]
Ha habido muchos avances nuevos en tecnología eficiente en los últimos 10 años que han permitido a los fabricantes aumentar drásticamente sus calificaciones SEER para mantenerse por encima de los mínimos requeridos establecidos por el departamento de energía de los Estados Unidos. [ cita necesaria ]
A partir del 1 de enero de 2023, los productos de refrigeración estarán sujetos a eficiencias mínimas regionales, según el Índice de eficiencia energética estacional 2 (SEER2) . El nuevo procedimiento de prueba M1 [7] está diseñado para reflejar mejor las condiciones actuales del campo. El DOE aumenta la presión estática externa de los sistemas del SEER actual (0,1 pulgadas de agua) a SEER2 (0,5 pulgadas de agua). Estas condiciones de presión fueron ideadas para considerar sistemas de ductos que se verían en el campo. Con este cambio, se utilizará una nueva nomenclatura para indicar las calificaciones M1 (incluidas EER2 y HSPF2). [8]
La energía eléctrica suele medirse en kilovatios (kW). La energía eléctrica suele medirse en kilovatios-hora (kW·h). Por ejemplo, si una carga eléctrica que consume 1,5 kW de energía eléctrica se opera durante 8 horas, utiliza 12 kW·h de energía eléctrica. En los Estados Unidos, a un cliente de electricidad residencial se le cobra según la cantidad de energía eléctrica utilizada. En la factura del cliente, la empresa de electricidad indica la cantidad de energía eléctrica, en kilovatios-hora (kW·h), que el cliente utilizó desde la última factura, y el costo de la energía por kilovatio-hora (kW·h).
Los tamaños de los acondicionadores de aire a menudo se expresan como "toneladas" de refrigeración , donde 1 tonelada de refrigeración equivale a 12.000 BTU/h (3,5 kW). 1 tonelada de enfriamiento equivale a la cantidad de energía que se debe aplicar continuamente durante un período de 24 horas para derretir 1 tonelada de hielo.
El costo anual de la energía eléctrica consumida por un aire acondicionado se puede calcular de la siguiente manera:
Ejemplo 1:
Una unidad de aire acondicionado con una potencia nominal de 72 000 BTU/h (21 kW) (6 toneladas), con una clasificación SEER de 10, opera 1 000 horas por año con un costo de energía eléctrica de $0,12 por kilovatio-hora (kW·h). ¿Cuál es el costo anual de la energía eléctrica que utiliza?
Ejemplo 2.
Una residencia cerca de Chicago tiene un aire acondicionado con una capacidad de enfriamiento de 4 toneladas y una calificación SEER de 10. La unidad funciona 120 días al año durante 8 horas por día (960 horas por año) y el costo de energía eléctrica es de $0,10 por año. 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 mini-split (sin conductos) disponibles con clasificaciones SEER de hasta 42. [10] [11] Durante la AHR Expo 2014, Mitsubishi presentó una nueva unidad de aire acondicionado mini-split sin ductos con una clasificación SEER de 30,5. [12] GREE también lanzó un mini split de calificación SEER de 30,5 en 2015. [13] Carrier lanzó un aire acondicionado sin ductos 42 SEER durante el Consumer electronic Show (CES) de 2018, celebrado en Las Vegas. [14] Los sistemas de aire acondicionado tradicionales con conductos tienen clasificaciones SEER máximas ligeramente por debajo de estos niveles. Además, en la práctica, los sistemas centrales tendrán un índice de eficiencia energética alcanzado entre un 10% y un 20% más bajo que la clasificación nominal debido a las pérdidas relacionadas con los conductos.
Además, hay 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 geotérmicas 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 más bajos que los equipos de fuente de aire de mayor eficiencia, particularmente para refrigeración por aire. Existe una variedad de tecnologías que permitirán que las calificaciones SEER y EER aumenten aún más en el futuro cercano. [16] Algunas de estas tecnologías incluyen compresores rotativos, inversores, motores CC sin escobillas, variadores de velocidad y sistemas integrados como los que se encuentran en el aire acondicionado con energía solar . [dieciséis]
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, clasificada mediante HSPF . Cuando se opera en modo calefacción, una bomba de calor suele ser más eficiente que un calentador de resistencia eléctrica. Esto se debe a que un calentador portátil 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 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 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 la eficiencia de enfriamiento mínima de 13 SEER, esto generalmente es inferior a -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 LP o gas natural para evitar el 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 extraerán calor de temperaturas exteriores tan bajas como -40 °F (-40 °C). En el caso de climas fríos, las bombas de calor de agua o geotérmicas 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 aire acondicionado.
