Aire acondicionado solar

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 lograr mediante el diseño solar pasivo , la conversión de energía solar térmica y la conversión fotovoltaica (de luz solar a electricidad). La Ley de Independencia y Seguridad Energética de EE. UU. de 2007 ^{[ 1 ]} creó fondos entre 2008 y 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 en la 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, 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 se enfría lo suficiente como para producir hielo. Originalmente, a finales del siglo XIX, se utilizaba gas natural como fuente de calor. Actualmente, se utiliza propano en los refrigeradores de absorción de vehículos recreativos. Los colectores solares térmicos de agua caliente también pueden utilizarse como fuente de calor moderna de "energía gratuita". Un informe patrocinado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) en 1976 analizó las aplicaciones de los sistemas de energía solar en el aire acondicionado. Las técnicas analizadas incluyeron tanto sistemas alimentados por energía solar (ciclo de absorción y motor térmico/ ciclo Rankine ) como relacionados con la energía solar (bomba de calor), junto con una extensa bibliografía de literatura relacionada. ^{[ 2 ]}

La energía fotovoltaica puede proporcionar energía indirecta para el aire acondicionado o, ahora, energía directa a los aparatos. La energía fotovoltaica indirecta para aires acondicionados consiste en energía solar para toda la casa o edificio, lo que, tradicionalmente para la mayoría de los usuarios, también ha significado la medición neta a la red eléctrica. En este caso, la energía solar se convierte en corriente alterna (CA) para alimentar los electrodomésticos de la casa o edificio, incluidos los aires acondicionados. La ventaja es que los aires acondicionados no necesitan componentes electrónicos especiales para funcionar con energía solar, por lo que su implementación es sencilla. La desventaja es que estos aires acondicionados suelen tener un valor SEER de 14 o menos, y la energía solar suministrada sufre algunas pérdidas debido a la conversión de corriente continua (CC ) a CA incluso antes de llegar a los aparatos. Otra desventaja es que estos aires acondicionados no pueden funcionar cuando la red eléctrica está caída, ya que, en efecto, la medición neta...Cada vivienda o edificio es un nodo en la red eléctrica, y las compañías eléctricas deben evitar la realimentación de energía a una red inactiva cuando esta falla. Además, actualmente, los aires acondicionados, al igual que muchos electrodomésticos (como televisores y ordenadores), funcionan con corriente continua. Por lo tanto, la energía solar para edificios completos que alimentan estas unidades debe convertirse a corriente alterna y luego rectificarse a corriente continua, lo que incrementa aún más la ineficiencia.

Los sistemas solares aislados utilizan baterías para suministrar energía a toda la casa o edificio. Estos sistemas emplean un controlador de voltaje para gestionar la carga de las baterías, y luego la energía de las baterías se invierte para proporcionar corriente alterna a la vivienda o edificio. Dado que no están conectados a la red ni cuentan con medición neta, pueden funcionar incluso después de una tormenta u otro evento que provoque un corte de energía. Sin embargo, la energía, una vez más, debe convertirse de corriente continua (CC) proveniente de los paneles solares y las baterías a corriente alterna (CA) mediante inversión para alimentar los electrodomésticos de forma remota.

Más recientemente, se han desarrollado bombas de calor y aires acondicionados fotovoltaicos que funcionan con energía solar. Estas unidades utilizan corriente continua (CC) y, por lo tanto, aprovechan 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 solo alimentan el aire acondicionado. La ventaja de estos sistemas es que, con suficiente energía solar y capacidad de batería, pueden funcionar de noche o en días nublados. Otra versión mini split permite conectar los paneles solares directamente a la parte exterior de la unidad, utiliza un bus de alimentación de CC de 310 V y ofrece alimentación de respaldo de red de 120 V ( Airspool ) opcional para compensar cualquier falta de energía solar disponible. La ventaja de estos aires acondicionados inverter de CC es su menor coste, mientras que la desventaja es que no pueden funcionar sin energía solar a menos que estén conectados a la red eléctrica. 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 para su funcionamiento, y ambos también ofrecen calefacción además de aire acondicionado. Un tercer tipo de unidad está disponible para edificios más grandes, generalmente comerciales, y ofrece respaldo tanto de la red eléctrica como de la batería, así como medición neta opcional. 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, utilizando una unidad exterior/condensadora y varias unidades interiores/evaporadoras ubicadas en diferentes áreas del edificio para acondicionar esas áreas según las necesidades específicas del usuario.

La tecnología fotovoltaica también puede combinarse con la geotérmica. Un sistema de aire acondicionado geotérmico eficiente requeriría un sistema fotovoltaico más pequeño y económico. Una instalación de bomba de calor geotérmica de alta calidad puede tener un SEER de aproximadamente 20. Un  aire acondicionado de 29 kW (100 000 BTU/h) con un SEER de 20 requeriría menos de 5  kW durante su funcionamiento.

También están llegando al 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 solo utilizan un ventilador y un suministro de agua para enfriar 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 % (aproximadamente el 40 % de los Estados Unidos continentales), los enfriadores evaporativos indirectos pueden alcanzar un SEER superior a 20, e incluso hasta 40. Un  enfriador evaporativo indirecto de 29 kW (100 000 BTU/h) solo necesitaría la energía fotovoltaica suficiente para el ventilador de circulación (además del suministro de agua).

Un sistema fotovoltaico de potencia parcial, menos costoso, puede reducir (aunque no eliminar) la cantidad mensual de electricidad comprada a la red eléctrica para el aire acondicionado (y otros usos). Con subsidios estatales estadounidenses de entre 2,50 y 5,00 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 resulta rentable en algunas zonas donde la electricidad de la compañía eléctrica cuesta 0,15 dólares o más. El excedente de energía fotovoltaica generado cuando no se requiere aire acondicionado puede venderse a la red eléctrica en muchos lugares, lo que puede reducir o eliminar la necesidad anual de compra neta de electricidad. (Véase Edificio de energía cero ).

La eficiencia energética superior puede incorporarse al diseño de nuevas construcciones (o adaptarse a edificios existentes). Desde la creación del Departamento de Energía de EE. UU. en 1977, su Programa de Asistencia para la Aislamiento Térmico ha reducido la carga de calefacción y refrigeración en 5,5 millones de viviendas asequibles para personas de bajos ingresos en un promedio del 31 %. Cien millones de edificios estadounidenses aún necesitan mejorar su aislamiento térmico. Las prácticas de construcción convencionales, a menudo negligentes, siguen generando edificios nuevos ineficientes que requieren mejoras en su aislamiento térmico al ser ocupados por primera vez.

Los sistemas de refrigeración subterránea , o tubos de enfriamiento subterráneo, aprovechan la temperatura ambiente del suelo para reducir o eliminar la necesidad de aire acondicionado convencional. En muchos climas donde reside la mayoría de la población, pueden disminuir considerablemente la acumulación de calor excesivo en verano y, además, ayudan a extraer el calor del interior del edificio. Si bien aumentan el costo de construcción, reducen o eliminan el costo de los equipos de aire acondicionado convencionales.

Los tubos de refrigeración terrestre no son rentables en entornos tropicales cálidos y húmedos, donde la temperatura ambiente de la Tierra se aproxima a la zona de confort térmico humano. Se puede utilizar una chimenea solar o un ventilador fotovoltaico para extraer el calor no deseado e introducir aire más fresco y deshumidificado que haya pasado por las superficies terrestres a temperatura ambiente. El control de la humedad y la condensación son aspectos importantes del diseño.

Una bomba de calor geotérmica utiliza la temperatura ambiente de la tierra para mejorar el SEER (Eficiencia Energética Eficiente) tanto para calefacción como para refrigeración. Un pozo profundo recircula agua para extraer la temperatura ambiente de la tierra, generalmente a razón de 8 litros (2 galones estadounidenses ) de agua por tonelada métrica por minuto. Estos sistemas de "circuito abierto" fueron los más comunes en los primeros sistemas; sin embargo, la calidad del agua podía dañar las serpentinas de la bomba de calor y acortar la vida útil del equipo. Otro método es un sistema de circuito cerrado, en el que se instala un circuito de tuberías en uno o varios pozos, o en zanjas en el césped, para enfriar un fluido intermedio. Cuando se utilizan pozos, estos se rellenan con lechada de bentonita u otro material de relleno para garantizar una buena conductividad térmica con la tierra. ^{[ 3 ]}  

Antiguamente, el fluido preferido era una mezcla al 50/50 de propilenglicol, ya que no es tóxico, a diferencia del etilenglicol (utilizado en los radiadores de los coches). El propilenglicol es viscoso y, con el tiempo, obstruiría algunas partes del circuito, por lo que ha caído en desuso. Actualmente , el agente de transferencia más común es una mezcla de agua y alcohol etílico (etanol).

La temperatura ambiente de la tierra es mucho menor que la temperatura máxima del aire en verano y mucho mayor que la temperatura mínima extrema del aire en invierno. El agua tiene una conductividad térmica 25 veces mayor que el aire, por lo que es mucho más eficiente que una bomba de calor de aire exterior (que se vuelve menos eficaz cuando la temperatura exterior baja en invierno).

El mismo tipo de pozo geotérmico puede utilizarse sin bomba de calor, pero con resultados mucho menores. El agua a temperatura ambiente se bombea a través de un radiador protegido (similar al de un automóvil). Se sopla aire sobre el radiador, que se enfría sin necesidad de un sistema de aire acondicionado con compresor. Paneles solares fotovoltaicos generan electricidad para la bomba de agua y el ventilador, eliminando así las facturas de electricidad de los sistemas de aire acondicionado convencionales. Este sistema es rentable, siempre que la temperatura ambiente del suelo se encuentre por debajo de la zona de confort térmico humano (no en los trópicos).

El aire puede hacerse 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 . El desecante se regenera luego utilizando energía solar térmica para deshumidificar, en un ciclo continuo, rentable y de bajo consumo energético. ^{[ 4 ]} Un sistema fotovoltaico puede alimentar un ventilador de circulación de aire de bajo consumo energético 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 la pérdida de energía. El aire pasa a través de una " rueda de entalpía " (a menudo con gel de sílice) para reducir el costo de calentar el aire ventilado en invierno transfiriendo el calor del aire interior caliente que se expulsa al aire de suministro fresco (pero frío). En verano, el aire interior enfría el aire de suministro entrante más caliente para reducir los costos de refrigeración de la ventilación. ^{[ 5 ]} Este sistema de ventilación de bajo consumo energético con ventilador y motor puede alimentarse de manera rentable con energía fotovoltaica , con una extracción por convección natural mejorada a través de una chimenea solar ; el flujo de aire descendente entrante sería por convección forzada ( advección ).

Un desecante como el cloruro de calcio se puede mezclar con agua para crear una cascada recirculante 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 ]}

Refrigeración solar activa en la que los colectores solares térmicos proporcionan energía para un sistema de refrigeración por desecante. Existen varios sistemas disponibles comercialmente que hacen circular aire a través de un medio impregnado con desecante tanto para la deshumidificación como para el ciclo de regeneración. El calor solar es una de las fuentes de energía para el ciclo de regeneración. En teoría, se pueden utilizar torres de relleno para generar un flujo a contracorriente entre el aire y el desecante líquido, pero no suelen emplearse en las máquinas comerciales. Se ha demostrado que el precalentamiento del aire mejora considerablemente la regeneración del desecante. La columna de relleno ofrece buenos resultados como deshumidificador/regenerador, siempre que se pueda reducir la caída de presión mediante 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 procesos de enfriamiento directo. En cambio, el diseño de edificios solares busca ralentizar la transferencia de calor hacia el interior del edificio durante el verano y mejorar la eliminación del calor no deseado. Esto implica un buen conocimiento de los mecanismos de transferencia de calor : conducción , convección y radiación térmica , esta última proveniente principalmente del sol.

Por ejemplo, un indicio de un mal diseño térmico 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 reflectante o un techo verde , que puede disminuir la temperatura de la superficie del techo en 40  °C (70  °F) en verano. Una barrera radiante y una cámara de aire debajo del techo bloquearán aproximadamente el 97 % de la radiación descendente proveniente 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. Existen numerosos aspectos de diseño que implica la refrigeración solar pasiva. Es un elemento fundamental para diseñar un edificio de consumo energético cero en un clima cálido.

Los sistemas de aire acondicionado de circuito cerrado suelen utilizar los siguientes materiales para la absorción de agua:

• Amoníaco
• bromuro de litio
• cloruro de litio
• Gel de sílice
• Zeolita

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 suministrar energía solar a enfriadoras de accionamiento térmico (generalmente enfriadoras 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 vuelta a los colectores. El calor suministrado al generador impulsa un ciclo de refrigeración que produce agua fría. El agua fría producida se utiliza para la refrigeración de grandes instalaciones comerciales e industriales.

La energía solar térmica se puede utilizar para refrigerar eficientemente en verano y también para calentar agua sanitaria y edificios en invierno. En los diferentes diseños de sistemas de refrigeración solar térmica se utilizan ciclos de refrigeración por absorción iterativos simples, dobles o triples. Cuantos más ciclos, mayor es su eficiencia. Los enfriadores de absorción funcionan con menos ruido y vibración que los enfriadores basados ​​en compresores, pero sus costes de capital son relativamente altos. ^{[ 10 ]}

Los enfriadores de absorción eficientes requieren nominalmente agua a una temperatura mínima de 88 °C (190 °F) . Los colectores solares térmicos planos comunes y económicos solo producen agua a unos 71 °C (160 °F) . Se necesitan colectores de alta temperatura, de concentración (CSP) o de tubos de vacío para producir los fluidos de transferencia a temperaturas más elevadas requeridos. En instalaciones a gran escala, existen varios proyectos exitosos, tanto técnica como económicamente, en funcionamiento en todo el mundo, incluyendo, por ejemplo, la sede de Caixa Geral de Depósitos en Lisboa, con 1579 metros cuadrados (17 000 pies cuadrados ) de colectores solares y una potencia de refrigeración de 545 kW, o la Villa Olímpica de Vela en Qingdao/China. En 2011 se pondrá en marcha la planta más potente del nuevo United World College 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 en la parte posterior, etc.) pueden ser eficaces y rentables. ^{[ 11 ]} Cuando el agua se puede calentar a más de 190 °F (88 °C) , 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 marcha y ya no recibe mantenimiento. La Southern California Gas Co. (The Gas Company) también está probando la viabilidad de los sistemas de refrigeración solar térmica en su Centro de Recursos Energéticos (ERC) en Downey, California . Se instalaron colectores solares de Sopogy y Cogenra 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 refrigeración por absorción de doble efecto que utiliza colectores parabólicos de canal de Sopogy , ^{[ 15 ]} un conjunto de Fresnel de Mirroxx y paneles solares térmicos de alto vacío de 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 producir hielo (antes de la invención de las bombillas eléctricas). ^{[ 18 ]} Este hielo se puede almacenar y utilizar como una «batería de hielo» para la refrigeración cuando no hay sol, como ocurrió en el Hotel New Otani Tokyo de Japón en 1995. ^{[ 19 ]} Existen modelos matemáticos de dominio público para calcular el rendimiento del almacenamiento de energía térmica basado en hielo. ^{[ 20 ]}

La máquina de hielo solar ISAAC es un ciclo intermitente de absorción de amoníaco-agua mediante energía solar. La ISAAC utiliza un colector solar parabólico de diseño compacto y eficiente para producir hielo sin combustible ni electricidad, y sin piezas móviles. ^{[ 21 ]}

Las principales razones para emplear colectores concentradores en sistemas de refrigeración solar son: aire acondicionado de alta eficiencia mediante el acoplamiento con enfriadoras 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 recientes han destacado el alto potencial de refrigeración (temperaturas inferiores a 0  °C) en diversas regiones del mundo (por ejemplo, el Mediterráneo, ^{[ 23 ]} Centroamérica ^{[ 24 ]} ). Sin embargo, esto se logra mediante enfriadoras de absorción de amoníaco/agua que requieren un aporte de calor a alta temperatura en el generador, en un rango (120 ÷ 180  °C) que solo se puede satisfacer con colectores solares de concentración. Además, diversas aplicaciones industriales requieren tanto refrigeración como vapor para sus procesos, y los colectores solares de concentración resultan muy ventajosos al maximizar su uso.

Los objetivos de los edificios de energía cero incluyen tecnologías de construcción sostenibles y ecológicas que pueden reducir significativamente, o incluso eliminar, las facturas netas anuales de energía. El máximo logro es el edificio autónomo totalmente independiente de la red eléctrica , que no necesita estar conectado a las compañías de servicios públicos. En climas cálidos con una alta demanda de refrigeración, el sistema de aire acondicionado solar de vanguardia será un factor crítico de éxito cada vez más importante .

• Casa pasiva
• Diseño de edificios solares pasivos
• refrigerador alimentado por energía solar

• Refrigeración con calor solar: creciente interés en el aire acondicionado solar. Archivado el 7 de abril de 2010 en Wayback Machine .