El aire acondicionado solar se refiere a cualquier sistema de aire acondicionado (refrigeración) que utiliza energía solar .
Esto se puede hacer a través del diseño solar pasivo , conversión de energía solar térmica y conversión fotovoltaica (luz solar en electricidad). La Ley de Seguridad e Independencia Energética de los 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 nuevas y economías de escala de producción en masa .
Historia
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 utilizó como fuente de calor a finales del siglo XIX. Hoy en día, el propano se utiliza en refrigeradores enfriadores por absorción de vehículos recreativos. Los colectores de energía solar térmica de agua caliente también se pueden utilizar como la moderna fuente de calor 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 del aire acondicionado. Las técnicas discutidas incluyeron tanto la energía solar (ciclo de absorción y motor térmico / ciclo Rankine) como la energía solar (bomba de calor) junto con una extensa bibliografía de literatura relacionada. [2]
Refrigeración solar fotovoltaica (PV)
La energía fotovoltaica puede proporcionar la energía para cualquier tipo de enfriamiento alimentado eléctricamente, ya sea basado en compresores convencionales o basados en adsorción / absorción, aunque la implementación más común es con compresores. Para la refrigeración residencial pequeña y comercial (menos de 5 MWh / a ) la refrigeración por energía fotovoltaica ha sido la tecnología de refrigeración solar implementada con más frecuencia. La razón de esto se debate, pero las razones comúnmente sugeridas incluyen la estructuración de incentivos, la falta de equipos de tamaño residencial para otras tecnologías de enfriamiento solar, el advenimiento de enfriadores eléctricos más eficientes o la facilidad de instalación en comparación con otras tecnologías de enfriamiento solar (como radiantes). enfriamiento ).
Dado que la rentabilidad de la refrigeración fotovoltaica depende en gran medida del equipo de refrigeración y dada la escasa eficiencia de los métodos de refrigeración eléctrica hasta hace poco [ ¿cuándo? ] no ha sido rentable sin las subvenciones. El uso de métodos de enfriamiento eléctrico más eficientes y el permitir programas de recuperación de la inversión más largos está cambiando ese escenario.
Por ejemplo, un acondicionador de aire de 29 kW (100,000 BTU / h ) con clasificación Energy Star de EE. UU . Con un índice de eficiencia energética estacional (SEER) de 14 requiere alrededor de 7 kW de energía eléctrica para una potencia de enfriamiento completa en un día caluroso. Esto requeriría un sistema de generación de electricidad solar fotovoltaica con almacenamiento de más de 20 kW.
Un sistema fotovoltaico de seguimiento solar de 7 kW probablemente tendría un precio de instalación muy superior a los 20.000 dólares estadounidenses (con los precios de los equipos fotovoltaicos actualmente [ ¿cuándo? ] Cayendo a aproximadamente un 17% anual). Los costos de infraestructura, cableado, montaje y código NEC pueden sumar 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 pico, pero todavía cuesta ~ $ 2,2 / vatio 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 acondicionador de aire SEER 20 de 29 kW (100.000 BTU / h) requeriría menos de 5 kW durante su funcionamiento.
La tecnología más nueva y de menor potencia, incluidas las bombas de calor de CC con inversor inverso, puede alcanzar clasificaciones SEER de hasta 26.
Hay nuevos sistemas de aire acondicionado eléctricos no basados en compresores con un SEER superior a 20 en el mercado. Las nuevas versiones de enfriadores evaporativos indirectos de cambio de fase no usan más que un ventilador y un suministro de agua para enfriar los edificios sin agregar humedad interior adicional (como en el aeropuerto McCarran de Las Vegas Nevada). En climas áridos secos con humedad relativa por debajo del 45% (alrededor del 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 de la red eléctrica para aire acondicionado (y otros usos). Con los subsidios del gobierno estatal estadounidense de $ 2,50 a $ 5,00 por vatio fotovoltaico, [3] el costo amortizado de la electricidad generada por energía fotovoltaica puede ser inferior a $ 0,15 por kWh. Actualmente, esto es rentable en algunas áreas donde la electricidad de las compañías eléctricas 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 edificio de energía cero )
La eficiencia energética superior puede diseñarse en nuevas construcciones (o adaptarse a edificios existentes). Desde que se creó el Departamento de Energía de Estados Unidos en 1977, su Programa de Asistencia para Climatización [4] 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 de construcción convencionales descuidadas siguen produciendo nuevos edificios ineficientes que necesitan climatización cuando se ocupan por primera vez.
Es bastante sencillo reducir a la mitad el requisito de calefacción y refrigeración para una nueva construcción. Esto a menudo se puede hacer sin costo neto adicional, ya que existen ahorros de costos para los sistemas de aire acondicionado más pequeños y otros beneficios.
Refrigeración geotermal
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 seres humanos, pueden reducir en gran medida la acumulación de calor indeseable del 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 húmedos cálidos donde la temperatura ambiente de la Tierra se acerca a la zona de confort de la temperatura humana. Se puede usar una chimenea solar o un ventilador de energía fotovoltaica para expulsar el calor no deseado y aspirar aire más frío y deshumidificado que ha pasado por las 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 SEER para calefacción y refrigeración. Un pozo profundo recircula agua para extraer la temperatura ambiente de la tierra, típicamente 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 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 se hace correr un circuito de tubería por un pozo o pozos, o en zanjas en el césped, para enfriar un fluido intermedio. Cuando se utilizan 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 los automóviles). El propilenglicol es viscoso y eventualmente adherirá 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 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 eficaz cuando la temperatura exterior desciende en invierno).
El mismo tipo de pozo geotérmico se puede utilizar sin bomba de calor, pero con resultados muy reducidos. El agua a temperatura ambiente de la tierra se bombea a través de un radiador envuelto (como el radiador de un automóvil). Se sopla aire a través del radiador, que se enfría sin un acondicionador de aire con 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 que la ubicación tenga la temperatura ambiente de la tierra por debajo de la zona de confort térmico humano (no los trópicos).
Climatización solar de circuito abierto mediante desecantes
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 mediante el uso de energía solar térmica para deshumidificar, en un ciclo rentable, de bajo consumo de energía y que se repite continuamente. [5] 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 de recuperación de energía proporcionan una forma controlada de ventilar una casa al tiempo que minimizan la pérdida de energía. El aire pasa a través de una " rueda de entalpía " (a menudo usando gel de sílice) para reducir el costo de calentar el aire ventilado en el invierno transfiriendo el calor del aire interior caliente que se expulsa 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 refrigeración por ventilación. [6] Este sistema de ventilación de ventilador y motor de baja energía puede ser alimentado de manera rentable por energía fotovoltaica , con un escape de convección natural mejorado en una chimenea solar - el flujo de aire entrante descendente sería convección forzada ( advección ).
Se puede mezclar un desecante como el cloruro de calcio 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. [7]
Refrigeración solar activa en la que los colectores solares térmicos proporcionan energía de entrada para un sistema de refrigeración por desecante. Hay varios sistemas disponibles comercialmente que soplan aire a través de un medio impregnado con desecante tanto para el ciclo de deshumidificación como para el de regeneración. El calor solar es una de las formas en que se alimenta el ciclo de regeneración. En teoría, las torres empaquetadas se pueden usar para formar un flujo en 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 enormemente la regeneración del desecante. La columna empaquetada produce buenos resultados como deshumidificador / regenerador, siempre que se pueda reducir la caída de presión con el uso de empaquetaduras adecuadas. [8]
Refrigeración solar pasiva
En este tipo de refrigeración, la energía solar térmica no se utiliza directamente para crear un ambiente frío o impulsar ningún proceso de refrigeración directo. En cambio, el diseño de edificios solares tiene como objetivo reducir la tasa de transferencia de calor a un edificio en el verano y mejorar la eliminación del calor no deseado. Se trata de una buena comprensión de los mecanismos de transferencia de calor : conducción de calor , transferencia de calor por convección , y radiación térmica , este último principalmente 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 del revestimiento del techo calentado por el sol.
La refrigeración solar pasiva es mucho más fácil de conseguir en nuevas construcciones que adaptando edificios existentes. Hay muchos detalles de diseño involucrados en el enfriamiento solar pasivo. Es un elemento principal del diseño de un edificio de energía cero en un clima cálido.
Refrigeración por absorción solar de circuito cerrado
Las siguientes son tecnologías comunes que se utilizan para el aire acondicionado de circuito cerrado de energía solar térmica.
- Absorción: NH
3/ H
2O o amoniaco / agua - Absorción: agua / bromuro de litio
- Absorción: agua / cloruro de litio
- Adsorción: agua / gel de sílice o agua / zeolita
- Adsorción: metanol / carbón activado [9]
El enfriamiento solar activo utiliza colectores solares térmicos para proporcionar energía solar a enfriadores de accionamiento térmico (generalmente enfriadores de adsorción o absorción). [10] La energía solar calienta un fluido que proporciona calor al generador de un enfriador de absorción y lo recircula a los colectores. El calor proporcionado al generador impulsa un ciclo de enfriamiento que produce agua fría. El agua enfriada producida se utiliza para grandes refrigeradores comerciales e industriales.
La energía solar térmica se puede utilizar para enfriar eficientemente en verano y también para calentar agua caliente sanitaria y edificios en invierno. Los ciclos de enfriamiento de absorción iterativos simples, dobles o triples se utilizan en diferentes diseños de sistemas de enfriamiento térmico solar. Cuantos más ciclos, más eficientes son. Las enfriadoras de absorción operan con menos ruido y vibración que las enfriadoras basadas en compresores, pero sus costos de capital son relativamente altos. [11]
Los enfriadores de absorción eficientes requieren nominalmente agua de 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 tubo de vacío para producir los fluidos de transferencia de temperatura más alta requeridos. En instalaciones a gran escala hay varios proyectos exitosos tanto técnicos como económicos en operación en todo el mundo incluyendo, por ejemplo, en la sede de Caixa Geral de Depósitos en Lisboa con colectores solares de 1.579 metros cuadrados (17.000 pies cuadrados) y potencia de enfriamiento de 545 kW o en el Villa Olímpica de Vela en Qingdao / China. En 2011 se pondrá en servicio 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 trasera, etc.) pueden ser efectivos y rentables. [12] Donde el agua se puede calentar a más de 190 ° F (88 ° C), se puede almacenar y usar cuando el sol no brilla.
El Centro Ambiental Audubon en el Parque Regional Ernest E. Debs en Los Ángeles tiene una instalación de aire acondicionado solar de ejemplo, [13] [14] que falló bastante poco después de la puesta en servicio y ya no se le da mantenimiento. [ cita requerida ] The 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. [15] La ciudad de Masdar en los Emiratos Árabes Unidos también está probando una planta de enfriamiento por absorción de doble efecto que utiliza colectores cilindro-parabólicos Sopogy , [16] matriz Mirroxx Fresnel y paneles solares térmicos de alto vacío TVP Solar. [17]
Durante 150 años, los enfriadores de absorción se han utilizado para hacer hielo (antes de que se inventaran las bombillas eléctricas). [18] Este hielo se puede almacenar y usar como una "batería de hielo" para enfriar cuando el sol no brilla, como sucedió en el 1995 Hotel New Otani Tokyo en Japón. [19] Los modelos matemáticos están disponibles en el dominio público para los cálculos del rendimiento del almacenamiento de energía térmica basada en hielo. [20]
La máquina de hielo solar ISAAC es un ciclo solar intermitente de absorción de agua y amoníaco. El ISAAC utiliza un colector solar cilindro-parabólico y un diseño compacto y eficiente para producir hielo sin combustible ni entrada eléctrica, y sin partes móviles. [21]
Los proveedores de sistemas de enfriamiento solar incluyen ChillSolar, SOLID, [22] Sopogy , [23] Cogenra, Industrial Solar [24] y TVP Solar [25] para instalaciones comerciales y ClimateWell , [26] Fagor - Rotartica , SorTech y Daikin principalmente para uso residencial. sistemas. Cogenra utiliza la cogeneración solar para producir energía térmica y eléctrica que se puede utilizar para refrigeración. [27]
Sistemas de enfriamiento solar que utilizan colectores de concentración.
Las principales razones para emplear colectores concentradores en sistemas de refrigeración solar son: climatización 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 el calor y el vapor del proceso. [28]
Con respecto a las aplicaciones industriales, varios estudios en los últimos años destacaron que existe un alto potencial de refrigeración (temperaturas inferiores a 0 ° C) en diferentes áreas del mundo (por ejemplo, el Mediterráneo, [29] Centroamérica [30] ). Sin embargo, esto se puede lograr mediante enfriadores de absorción de amoníaco / agua que requieren una entrada de calor de 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 los colectores solares de concentración pueden ser muy ventajosos en el sentido de que se maximiza su uso.
Edificios de energía cero
Los objetivos de los edificios de energía cero incluyen tecnologías de construcción ecológicas y sostenibles que pueden reducir significativamente o eliminar las facturas netas anuales de energía. El logro supremo es el edificio autónomo totalmente fuera de la red que no tiene que estar conectado a empresas de servicios públicos. En climas cálidos con requisitos de enfriamiento de grado significativo , el aire acondicionado solar de vanguardia será un factor crítico de éxito cada vez más importante .
Ver también
- Casa pasiva
- Diseño de edificios solares pasivos
- Refrigerador de energía solar
Notas
Referencias
- ^ "Ley de seguridad e independencia energética de Estados Unidos de 2007" . Consultado el 23 de diciembre de 2007 .
- ^ Nash, JM; Harstad, AJ "Aplicación de la energía solar a los sistemas de aire acondicionado (1976)" . Servidor de informes técnicos de la NASA . Consultado el 26 de noviembre de 2016 .
- ^ "Base de Datos de Incentivos Estatales para Renovables & Eficiencia® - DSIRE" . DSIRE . Consultado el 8 de abril de 2018 .
- ^ EERE: Página de inicio del programa de asistencia para climatización del Departamento de Energía
- ^ San, JY, Lavan, Z., Worek, WM, Jean-Baptiste Monnier, Franta, GE, Haggard, K., Glenn, BH, Kolar, WA, Howell, JR (1982). "Análisis de exergía del sistema de enfriamiento desecante alimentado por energía solar". Proc. de la Sección Americana del Pasante. Sociedad de Energía Solar: 567-572
- ^ Guía del consumidor de EERE: sistemas de ventilación con recuperación de energía
- ^ Cascada desecante líquido para una atractiva deshumidificación de edificios
- ^ Un deshumidificador / regenerador de lecho compacto para aire acondicionado solar con desecantes líquidos (por Factor, HM y Grossman, G., Technion - Instituto de Tecnología de Israel )
- ^ "Aire Acondicionado con Energía Solar" . machine-history.com . Consultado el 8 de abril de 2018 .
- ^ George OG Löf (1993). Sistemas solares activos . Prensa del MIT. pag. 682. ISBN 978-0-262-12167-5.
- ^ Otanicar, Todd; Taylor, Robert A .; Phelan, Patrick E. (2012). "Perspectivas de la refrigeración solar: una evaluación económica y medioambiental". Energía solar . 86 (5): 1287-1299. Código Bibliográfico : 2012SoEn ... 86.1287O . doi : 10.1016 / j.solener.2012.01.020 .
- ^ "Refrigeración solar". www.solid.at. Consultado el 1 de julio de 2008.
- ^ Les Hamasaki. "Aire acondicionado solar de 10 toneladas en el Centro Ambiental Audubon de Debs Park en Los Ángeles (video de 6 minutos)" . Consultado el 23 de diciembre de 2007 .
- ^ Gregory Wright, "La tecnología de climatización solar térmica debuta en Los Ángeles en el nuevo Audubon Urban Nature Center" , EnergyPulse, 2.3.04, consultado el 2 de julio de 2014
- ^ "SoCalGas prueba acondicionador de aire solar inusual" . Los Angeles Times . 25 de mayo de 2012.
- ^ "SS el general jeque Mohammed bin Zayed Al Nahyan, príncipe heredero de Abu Dhabi y comandante supremo adjunto de las Fuerzas Armadas de los Emiratos Árabes Unidos visita a Masdar" . Zawya. 20 de octubre de 2011 . Consultado el 25 de octubre de 2011 .
- ^ "Masdar City Testing TVP Paneles solares térmicos solares planos de alto vacío para aire acondicionado" (PDF) . Masdar. 16 de febrero de 2012 . Consultado el 16 de enero de 2012 .
- ^ Gearoid Foley; Robert DeVault; Richard Sweetser. "El futuro de la tecnología de absorción en Estados Unidos" (PDF) . Eficiencia energética y energías renovables del DOE de EE. UU. (EERE). Archivado desde el original (PDF) el 28 de noviembre de 2007 . Consultado el 8 de noviembre de 2007 .
- ^ "El sistema de enfriamiento de hielo reduce la carga ambiental" . Las nuevas noticias de Otani . Nueva Otani Co., Ltd. 28 de junio de 2000 . Consultado el 8 de noviembre de 2007 .
- ^ "Desarrollo de un modelo de almacenamiento de energía térmica para EnergyPlus" (PDF) . 2004 . Consultado el 6 de abril de 2008 .
- ^ "Máquina de hielo solar ISAAC" .
- ^ "Instalación solar + diseño" .
- ^ "Tecnología de generación de calor solar Sopogy" .
- ^ "Mirroxx es ahora Industrial Solar" . Energía solar y eólica . Consultado el 8 de abril de 2019 .
- ^ "TVP Solar SA" .
- ^ "Almacenamiento de energía en sal - patentado en todo el mundo" . Tecnología SaltX . Consultado el 8 de abril de 2018 .
- ^ Andrew Burger (24 de mayo de 2012). "La cogeneración solar agrega capacidad de enfriamiento" . TriplePundit.
- ^ Ayadi, Osama; Aprile, Marcello; Motta, Mario (1 de enero de 2012). "Sistemas de refrigeración solar que utilizan colectores solares de concentración: una descripción general" . Energy Procedia . 30 : 875–883. doi : 10.1016 / j.egypro.2012.11.099 . ISSN 1876-6102 .
- ^ Ayadi, Osama. "La energía solar enfría la leche" (PDF) .
- ^ Pilatowsky, ISAAC; Scoccia, Rossano. "Refrigeración solar en la industria alimentaria en México: un caso de estudio" . Ingeniería Térmica Aplicada .
enlaces externos
- Refrigeración con calor solar: creciente interés en el aire acondicionado solar .