Aire acondicionado solar
El aire acondicionado solar se refiere a cualquier sistema de aire acondicionado (refrigeración) que utiliza energía solar.
Esto se puede hacer a través de la conversión de energía pasiva solar, energía solar térmica y conversión fotovoltaica (luz solar a electricidad). La Ley de Seguridad e Independencia Energética de EE. UU. De 2007 creó los fondos del 2008 al 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. El aire acondicionado solar podría desempeñar un papel cada vez más importante en el diseño de edificios de energía cero y energía plus.
Historia
A fines 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 tubos de expansión / condensación se calienta y el otro extremo se enfría lo suficiente como para hacer hielo. Originalmente, el gas natural se usó como fuente de calor a fines del siglo XIX. Hoy en día, el propano se usa en refrigeradores de refrigeración de absorción de vehículos recreativos. Los colectores de energía solar térmica de agua caliente también se pueden usar 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 discutidas incluyeron tanto energía solar (ciclo de absorción y motor térmico / ciclo Rankine) como energía solar relacionada (bomba de calor) junto con una extensa bibliografía de literatura relacionada.
Enfriamiento solar fotovoltaico (PV)
La energía fotovoltaica puede proporcionar la energía para cualquier tipo de enfriamiento alimentado eléctricamente, ya sea basado en compresor convencional o en adsorción / absorción, aunque la implementación más común es con compresores. Para enfriamiento residencial pequeño y comercial pequeño (menos de 5 MWh / a), la refrigeración solar impulsada por PV ha sido la tecnología de enfriamiento solar más frecuentemente implementada. El motivo es debatido, pero las razones comúnmente sugeridas incluyen la estructuración de incentivos, la falta de equipos de tamaño residencial para otras tecnologías de enfriamiento solar, la llegada de enfriadores eléctricos más eficientes o la facilidad de instalación en comparación con otras tecnologías de enfriamiento solar (como radiante enfriamiento).
Como la rentabilidad de la refrigeración fotovoltaica depende en gran medida del equipo de refrigeración y dada la escasa eficiencia en los métodos de refrigeración eléctrica hasta hace poco, no ha sido rentable sin subsidios. El uso de métodos de enfriamiento eléctrico más eficientes y el permitir plazos de amortización más largos está cambiando ese escenario.
Por ejemplo, un acondicionador de aire con una nota nominal de Energy Star de 100.000 BTU [nota 1] con una relación de eficiencia energética estacional alta (SEER) de 14 requiere alrededor de 7 kW de potencia eléctrica para una potencia de refrigeración total en un día caluroso. Esto requeriría más de un sistema de generación de electricidad solar fotovoltaica de 20 kW con almacenamiento.
Un sistema fotovoltaico de seguimiento solar de 7 kW probablemente tenga un precio instalado de más de $ 20,000 USD (los precios de los equipos PV actualmente caen aproximadamente un 17% por año). La infraestructura, el cableado, el montaje y los costos del código NEC pueden agregar hasta un costo adicional; por ejemplo, un sistema de conexión a la red de paneles solares de 3120 vatios tiene un costo de panel de $ 0,99 / vatio máximo, pero aún cuesta aproximadamente $ 2,2 / vatio por hora pico. Otros sistemas de diferente capacidad cuestan aún más, y mucho menos los sistemas de respaldo de batería, que cuestan aún más.
Un sistema de aire acondicionado más 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 de 100.000 BTU SEER 20 requerirá menos de 5 kW mientras está en funcionamiento.
La tecnología más nueva y de menor potencia, incluidas las bombas de calor de CC de inversor inverso, pueden alcanzar valores SEER de hasta 26.
Existen nuevos sistemas de aire acondicionado eléctrico sin compresor con un SEER superior a 20 en el mercado. Las nuevas versiones de enfriadores evaporativos indirectos de cambio de fase no usan nada más que un ventilador y un suministro de agua para refrigerar los edificios sin agregar humedad interior adicional (como en el aeropuerto McCarran de Las Vegas, Nevada). En climas secos y áridos con humedad relativa por debajo del 45% (alrededor del 40% de los EE. UU.), Los enfriadores evaporativos indirectos pueden alcanzar un SEER superior a 20 y hasta SEER 40. Un enfriador evaporativo indirecto de 100.000 BTU solo necesitaría suficiente energía fotovoltaica para la circulación ventilador (más un suministro de agua).
Un sistema fotovoltaico de energía parcial menos costoso puede reducir (pero no eliminar) la cantidad mensual de electricidad comprada de la red eléctrica para aire acondicionado (y otros usos). Con los subsidios del gobierno estatal estadounidense de $ 2.50 a $ 5.00 USD por vatio fotovoltaico, el costo amortizado de la electricidad generada por energía fotovoltaica puede estar por debajo de $ 0.15 por kWh. Esto es actualmente rentable en algunas áreas donde la electricidad de la compañía eléctrica ahora es de $ 0.15 o más. El exceso de energía fotovoltaica generada cuando no se requiere aire acondicionado se puede vender a la red eléctrica en muchos lugares, lo que puede reducir (o eliminar) el requisito anual de compra neta de electricidad. (Ver construcción de energía cero)
Se puede diseñar una eficiencia energética superior en construcciones nuevas (o readaptadas a edificios existentes). Desde que se creó el Departamento de Energía de EE. UU. En 1977, su Programa de Asistencia de Climatización ha reducido la carga de calefacción y refrigeración en 5,5 millones de hogares asequibles de bajos ingresos, un promedio del 31%. Cien millones de edificios estadounidenses aún necesitan una climatización mejorada. Las prácticas de construcción convencionales descuidadas todavía están produciendo nuevos edificios ineficientes que necesitan climatización cuando se ocupan por primera vez.
Es bastante simple reducir a la mitad el requisito de calefacción y refrigeración para nuevas construcciones. Esto a menudo se puede hacer sin costo neto adicional, ya que hay ahorros de costos para sistemas de aire acondicionado más pequeños y otros beneficios.
Enfriamiento geotérmico
Los tubos de protección de la Tierra o de 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 del verano y también ayudan a eliminar el calor del interior del edificio. Aumentan el costo de construcción, pero reducen o eliminan el costo del equipo de aire acondicionado convencional.
Los tubos de enfriamiento de la Tierra no son rentables en ambientes tropicales húmedos y cálidos donde la temperatura de la Tierra se acerca a la zona de confort de la temperatura humana. Se puede usar una chimenea solar o un ventilador de potencia fotovoltaica para eliminar el calor no deseado y extraer aire más frío y deshumidificado que haya pasado por las superficies de temperatura ambiente. El control de la humedad y la condensación son cuestiones importantes de diseño.
Una bomba de calor geotérmica utiliza la temperatura ambiente de la tierra para mejorar SEER en cuanto a calor y enfriamiento. Un pozo profundo recircula agua para extraer la temperatura ambiente de la tierra (típicamente a 2 galones de agua por tonelada por minuto). Estos sistemas de «circuito abierto» fueron los más comunes en los primeros sistemas, sin embargo, la calidad del agua podría dañar 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 un circuito de tubos se extiende por un pozo o pozos, o en zanjas en el césped, para enfriar un fluido intermedio. Cuando se usan pozos, se rellenan con Bentonita u otro material de lechada para asegurar una buena conductividad térmica a la tierra.
En el pasado, el fluido de elección era una mezcla 50/50 de propilenglicol porque no es tóxico a diferencia del etilenglicol (que se usa en los radiadores de automóviles). El propilenglicol es viscoso, y eventualmente engomará algunas partes en el (los) bucle (s), por lo que ha perdido el favor. Hoy en día, el agente de transferencia más común es una mezcla de agua y alcohol etílico (etanol).
La temperatura de la tierra ambiente es mucho más baja que la temperatura máxima del aire de verano, y mucho más alta que la temperatura más baja del aire de invierno extremo. El agua es 25 veces más conductiva térmicamente 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 cae en invierno).
El mismo tipo de pozo geotérmico se puede utilizar sin una bomba de calor, pero con resultados muy disminuidos. La temperatura ambiente de la tierra se bombea a través de un radiador cubierto (como un radiador de automóvil). Se sopla aire 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 servicios de aire acondicionado convencionales. Este concepto es rentable, siempre que la ubicación tenga una temperatura ambiente en la Tierra por debajo de la zona de confort térmico humano (no en los trópicos).
Aire acondicionado solar de circuito abierto con desecantes
Se puede pasar aire sobre desecantes sólidos comunes (como gel de sílice o zeolita) o desecantes líquidos (como bromuro de litio / cloruro) para extraer la humedad del aire y permitir un ciclo de enfriamiento mecánico o evaporativo eficiente. El desecante se regenera mediante el uso de energía solar térmica para la deshumidificación, en un ciclo económico, de bajo consumo de energía y de repetición continua. Un sistema fotovoltaico puede alimentar un ventilador de circulación de aire de baja energía y un motor para rotar lentamente un disco grande lleno de desecante.
Los sistemas de ventilación de recuperación de energía proporcionan una forma controlada de ventilar una casa mientras se minimiza la pérdida de energía. El aire se pasa a través de una «rueda de entalpía» (a menudo usando gel de sílice) para reducir el costo de calefacción del aire ventilado en el invierno transfiriendo calor del aire caliente interior que se está agotando al aire de suministro fresco (pero frío). En el verano, el aire interior enfría el aire de suministro entrante más cálido para reducir los costos de enfriamiento de la ventilación. Este sistema de ventilación de motor y ventilador de baja energía puede ser impulsado de manera rentable por energía fotovoltaica, con un convección de convección natural mejorado en una chimenea solar: el flujo de aire entrante descendente sería convección forzada (advección).
Un desecante como el cloruro de calcio se puede mezclar con agua para crear una atractiva 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.
El enfriamiento solar activo en donde los colectores solares térmicos proporcionan energía de entrada para un sistema de enfriamiento desecante. Existen varios sistemas comercialmente disponibles que soplan aire a través de un medio impregnado de desecante, tanto para la deshumidificación como para el ciclo de regeneración. El calor solar es una de las formas en que se activa el ciclo de regeneración. En teoría, las torres empacadas se pueden usar para formar un flujo a contracorriente del aire y el desecante líquido, pero normalmente no se emplean en máquinas disponibles comercialmente. Se muestra que el precalentamiento del aire mejora en gran medida la regeneración del desecante. La columna compacta produce buenos resultados como un deshumidificador / regenerador, siempre que la caída de presión se pueda reducir con el uso de un empaque adecuado.
Enfriamiento solar pasivo
En este tipo de enfriamiento, la energía térmica solar no se usa directamente para crear un ambiente frío o para impulsar ningún proceso de enfriamiento directo. En cambio, el diseño de edificios solares tiene como objetivo disminuir la velocidad de transferencia de calor a un edificio en el verano y mejorar la eliminación de 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 del sol.
Por ejemplo, un signo de diseño térmico deficiente es un ático que se calienta más en verano que la temperatura máxima del aire exterior. Esto puede reducirse o eliminarse significativamente con un techo frío o verde, lo 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 lograr en nuevas construcciones que la adaptación de edificios existentes. Hay muchos detalles de diseño involucrados en el enfriamiento solar pasivo. Es un elemento primario del diseño de un edificio de energía cero en un clima cálido.
Enfriamiento solar de absorción de circuito cerrado
Las siguientes son tecnologías comunes en uso para el aire acondicionado solar térmico de circuito cerrado.
Absorción: NH 3 sub> span> span> / H 2 sub> span> O span> o amoníaco / agua
Absorción: agua / bromuro de litio
Absorción: agua / cloruro de litio
Adsorción: agua / gel de sílice o agua / zeolita
Adsorción: metanol / carbón activado
La refrigeración solar activa utiliza colectores solares térmicos para proporcionar energía solar a los enfriadores accionados térmicamente (generalmente enfriadores de adsorción o absorción). La energía solar calienta un fluido que proporciona calor al generador de una enfriadora de absorción y se recircula a los colectores. El calor proporcionado al generador impulsa un ciclo de enfriamiento que produce agua fría. El agua enfriada producida se usa para un gran enfriamiento comercial e industrial.
La energía solar térmica se puede utilizar para enfriar eficientemente en el verano y también para calentar agua caliente y edificios en el invierno. Los ciclos de enfriamiento por absorción iterativos simples, dobles o triples se utilizan en diferentes diseños de sistemas de refrigeración solar térmica. 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.
Las enfriadoras de absorción eficientes requieren nominalmente agua de al menos 190 ° F (88 ° C). Los colectores térmicos solares de placa plana comunes y económicos solo producen aproximadamente 160 ° F (71 ° C) de agua. Se necesitan colectores de placa plana de alta temperatura, concentradores (CSP) o tubos de vacío para producir los fluidos de transferencia de temperatura más altos requeridos. En instalaciones a gran escala hay varios proyectos exitosos tanto técnicos como económicos en operación en todo el mundo, incluyendo, por ejemplo, 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 enfriamiento o en el Olympic Sailing Village en Qingdao / China. En 2011 se pondrá en servicio la planta más poderosa de United World College, nueva construcción de Singapur (1500 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 efectivos y rentables. Donde el agua puede calentarse mucho más de 190 ° F (88 ° C), puede almacenarse y usarse cuando el sol no está brillando.
El Centro Ambiental Audubon en el Parque Regional Ernest E. Debs en Los Ángeles tiene un ejemplo de instalación de aire acondicionado solar, que falló poco después de la puesta en servicio y ya no se mantiene. Southern California Gas Co. (The Gas Company) también está probando la practicidad de los sistemas de enfriamiento térmico solar en su Energy Resource Center (ERC) en Downey, California. Los colectores solares de Sopogy y Cogenra se instalaron en la azotea del ERC y están produciendo refrigeración para el sistema de aire acondicionado del edificio. Masdar City en los Emiratos Árabes Unidos también está probando una planta de enfriamiento por absorción de doble efecto que utiliza colectores cilindro-parabólicos Sopogy, matriz Mirroxx Fresnel y paneles solares solares de alto vacío TVP Solar.
Durante 150 años, los enfriadores de absorción se han utilizado para fabricar hielo (antes de que se inventaran las bombillas eléctricas). Este hielo puede almacenarse y usarse como una «batería de hielo» para enfriar cuando el sol no está brillando, como sucedió en 1995 en el Hotel New Otani Tokyo en Japón. Los modelos matemáticos están disponibles en el dominio público para cálculos de rendimiento de almacenamiento de energía térmica a base de hielo.
El ISAAC Solar Icemaker es un ciclo intermitente de absorción solar de amoniaco-agua. El ISAAC utiliza un colector solar cilindroparabólico y un diseño compacto y eficiente para producir hielo sin combustible o entrada eléctrica, y sin partes móviles.
Los proveedores de sistemas de refrigeración solar incluyen ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx y TVP Solar para instalaciones comerciales y ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech y Daikin principalmente para sistemas residenciales. Cogenra utiliza la cogeneración solar para producir energía térmica y eléctrica que se puede utilizar para enfriar.
Sistemas de enfriamiento solar que utilizan colectores concentradores
Las principales razones para emplear colectores de concentración en sistemas de refrigeración solar son: aire acondicionado de alta eficiencia mediante acoplamiento con enfriadores de efecto doble / triple; y refrigeración solar para usuarios finales industriales, posiblemente en combinación con calor y vapor de proceso.
En cuanto a las aplicaciones industriales, varios estudios en los últimos años han puesto de relieve que existe un alto potencial de refrigeración (temperaturas por debajo de 0 ° C) en diferentes áreas del mundo (por ejemplo, el Mediterráneo, América Central). Sin embargo, esto puede lograrse mediante enfriadores de absorción de amoníaco / agua que requieren una entrada de calor a alta temperatura en el generador, en un rango (120 ÷ 180 ° C) que solo puede satisfacerse mediante la concentración de colectores solares. Además, varias aplicaciones industriales requieren refrigeración y vapor para los procesos, y la concentración de colectores solares puede ser muy ventajosa en el sentido de que su uso se maximiza.
Edificios de energía cero
Las metas de los edificios de energía cero incluyen tecnologías sostenibles de construcción verde que pueden reducir significativamente o eliminar las facturas de energía anuales netas. El logro supremo es el edificio autónomo totalmente fuera de la red que no tiene que estar conectado a las empresas de servicios públicos. En climas cálidos con requisitos de enfriamiento de un grado significativo de días, el aire acondicionado solar de vanguardia será un factor de éxito crítico cada vez más importante.