Incluso en las gélidas temperaturas de Alaska, las bombas de calor con fuente de aire mantienen calientes los hogares

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Por Molly Rettig

Cuando el viento del norte sopla en Dillingham en medio del invierno, puede caer más allá de los 15 grados bajo cero F en la franja remota de la costa sur de Alaska. En estos días, los calentadores de aceite en muchas de las casas tienen que funcionar casi sin parar para mantener a la gente caliente.

Mientras camina por el pequeño pueblo pesquero, encaramado en la pesquería de salmón de clase mundial de la bahía de Bristol, puede oler el olor acre y dulce de las estufas de leña. Pero una casa se distingue de las demás: está ubicada a las afueras de la ciudad, donde el bosque de abetos se desvanece en una extensión interminable de tundra helada y nevada, no tiene chimenea, tanque de combustible ni combustión de ningún tipo.

La bomba de calor de fuente de aire que Tom Marsik instaló en su casa hace ocho años era poco común en Alaska. Las bombas de calor de fuente de aire toman calor del aire exterior, lo hacen funcionar a través de un ciclo de refrigeración para aumentar la temperatura (al igual que su refrigerador, pero al revés) y lo envían a un edificio. Debido a que dependen del “calor” del aire exterior, no eran muy comunes en los climas subárticos. Sin embargo, durante cinco años, la bomba de calor de Marsik mantuvo a su familia abrigada incluso en los días más fríos del año. Gracias a lo que los investigadores han aprendido de sistemas como este, las bombas de calor están despegando en Alaska y otros lugares fríos como una alternativa a los sistemas de calefacción más tradicionales como el petróleo y el gas natural.

“Es emocionante porque operan a temperaturas más bajas de las que históricamente han tenido, lo que significa que tienen el potencial de reducir el consumo de combustibles fósiles en climas fríos”, dijo Marsik. “Ayudar a ampliar los límites de la energía limpia y desarrollar un futuro sostenible fue importante para mí, especialmente en mi propia casa, donde estábamos criando a nuestra hija”.

Una bomba de calor de fuente de aire, como la parte exterior de la bomba de calor sin ductos de Marsik que se muestra aquí, toma calor del aire exterior, lo hace funcionar a través de un ciclo de refrigeración para aumentar la temperatura (como su refrigerador, pero al revés) y lo entrega a un edificio. Foto cortesía de Tom Marsik vía NREL

En la actualidad, Marsik vive en Fairbanks y es científico jefe del Centro de Investigación de Vivienda en Clima Frío (CCHRC) del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). Aunque ya no vive en una casa con fuente de aire y calefacción con bomba de calor, todavía pasa mucho tiempo pensando en ellos, calculando tiempos de ejecución y ciclos de descongelamiento, recordando cómo bajaba corriendo las escaleras cuando escuchaba un nuevo ruido. desde su propia unidad e investigando cómo hacer que las bombas de calor funcionen mejor para más habitantes de Alaska, que enfrentan un clima severo, falta de infraestructura y facturas de energía cinco veces más altas que el estadounidense promedio.

Las bombas de calor de fuente de aire son parte de una cartera de soluciones que pueden promover la misión de NREL de hacer que la energía sea más asequible, equitativa y respetuosa con el medio ambiente. Su función, sin embargo, varía a lo largo de la vasta topografía de climas, recursos naturales y tipos de viviendas de la nación. Los investigadores de NREL están estudiando cómo pueden ayudar a las personas en climas fríos, basándose en todos esos factores y más.

En Alaska, la tecnología más prometedora es una bomba de calor sin ductos, que incluye una unidad exterior que absorbe el calor del aire y una unidad interior en el lado opuesto de la pared que lo entrega a la habitación. Debido a que no existe un sistema de distribución para distribuir el calor por toda la casa, los sistemas sin ductos son adecuados para las casas pequeñas y de bajo consumo energético que a menudo se encuentran en Alaska.

“Estos están recibiendo mucha atención en gran parte debido al costo de instalación relativamente bajo en comparación con otros sistemas. Debido a que simplemente soplan aire a un espacio abierto, no tiene que pagar el costo de un sistema de distribución ”, dijo Marsik.

Foto de una gran cámara fría en un laboratorio.

En el Centro de Investigación de Viviendas en Clima Frío de NREL en Fairbanks, Alaska, se utiliza una cámara fría para evaluar cómo se comportan los aparatos de calefacción y los diseños de paredes en Alaska, incluido un estudio de bomba de calor de fuente de aire que comienza ahora. Foto de Vanessa Stevens, NREL

Por supuesto, existen desafíos únicos en un lugar como Alaska. Si bien las bombas de calor han mejorado durante la última década, todavía se ven afectadas por las bajas temperaturas: cuanto más frío hace, más difícil es extraer el calor y menos eficiente es el sistema. Pero, ¿cuánto cae su eficiencia? Para responder a esta pregunta, el equipo de Marsik está estudiando una bomba de calor dentro de una cámara de prueba de 20 grados bajo cero en su laboratorio de Fairbanks. El estudio también analizará el efecto de la carga térmica, o la demanda de calor del edificio, sobre el rendimiento de la bomba de calor.

“A temperaturas muy frías, la eficiencia es relativamente baja y, en ese momento, normalmente ya no tiene sentido usar una bomba de calor”, dijo Marsik. “Y a menudo es mejor utilizar otras tecnologías”.

Comprender los límites operativos de las bombas de calor arrojará luz sobre cómo se pueden expandir a nivel nacional. Hay un mercado mucho más grande de bombas de calor de fuente de aire en los 48 estados bajos, donde los residentes de climas fríos también buscan formas asequibles y más limpias de calentar sus hogares. Uno de los beneficios de las bombas de calor en climas menos extremos es que pueden proporcionar calefacción y enfriamiento, con el simple interruptor de una válvula. El investigador de NREL, Jon Winkler, está liderando una investigación para ver cómo instalar bombas de calor en más de estos hogares.

El subconjunto de viviendas en el que se enfoca son aquellas con calefacción central de aire forzado, o aproximadamente 35 millones de hogares en Estados Unidos. Estas casas podrían cambiar a una bomba de calor con bastante facilidad porque ya tienen conductos. La bomba de calor simplemente se conecta a estos conductos existentes, como un acondicionador de aire central, para proporcionar aire acondicionado en toda la casa. En lugares con conductos y altos costos de energía, las bombas de calor son especialmente atractivas, como el noroeste del Pacífico, por ejemplo.

“Ya tienen los conductos, pero están usando calentadores de resistencia eléctrica, que obtienen la menor eficiencia de calefacción posible. La instalación de una bomba de calor en estas casas tiene mucho sentido desde el punto de vista financiero ”, dijo Winkler.

Actualmente está monitoreando una docena de bombas de calor en el este de Washington y Montana para obtener una visión refinada de su eficiencia. Al igual que en el estudio de Alaska, Winkler está analizando cómo la eficiencia de una bomba de calor cae en temperaturas más frías y cómo dimensionar adecuadamente una bomba de calor para una casa. Sin embargo, hay un giro: estas bombas de calor deben dimensionarse para proporcionar la cantidad correcta de calor y aire acondicionado.

“Entonces, para estas casas, ¿cuál es el tamaño óptimo de la bomba de calor desde una perspectiva de eficiencia energética, una perspectiva de costos y también desde una perspectiva de comodidad?” Dijo Winkler.

Además, ¿cómo se pueden combinar las bombas de calor con otros electrodomésticos para obtener el mayor beneficio?

“¿Necesita proporcionar el 100% del calor con esa bomba de calor?” Dijo Winkler. “¿O es más rentable proporcionar el 90% de la calefacción con la bomba de calor y usar un calentador de resistencia de respaldo eléctrico durante esos pocos días del año que hace mucho frío?”

Foto de un investigador calibrando una cámara fría

El ingeniero de investigación de NREL-CCHRC, Robbin Garber-Slaght, calibra el termostato interno de la cámara fría probando la capacidad de la cámara para reproducir las gélidas temperaturas de Alaska de -20 grados. Ella verifica los datos de los sensores de temperatura espaciados por toda la cámara para garantizar que las temperaturas sean uniformes. Foto de Vanessa Stevens, NREL

Eso es lo que Marsik hizo en su casa de Dillingham, y lo que también podrían hacer millones de otras casas en climas fríos. Con los resultados del estudio por venir, el proyecto de Winkler creará mapas de desempeño que mostrarán cómo funcionan las bombas de calor en diferentes regiones del país donde los consumidores las deseen.

Si bien una creciente demanda del mercado está impulsando la investigación de NREL sobre bombas de calor, no se trata solo de ahorrar dinero para los consumidores, dijo Winkler. Una pieza fundamental para avanzar hacia una economía de energía limpia es electrificar la calefacción, moviendo los edificios a la red para calefacción y aire acondicionado en lugar de depender de electrodomésticos como calderas de aceite o hornos de gas. Esto permite que los electrones verdes, ya sea que provengan del viento, la energía solar, la geotermia o cualquier otra cosa, brinden comodidad térmica y energía.

“Si queremos ser puramente renovables, tendremos que electrificar el uso de calefacción de nuestro hogar”, dijo Winkler, “y las bombas de calor son actualmente la mejor manera de hacerlo”.

Aprender más acerca de investigación de edificios en NREL y el Centro de Investigación de Vivienda en Clima Frío.

Artículo cortesía del Departamento de Energía de EE. UU., NREL.


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