Por qué las bombas de calor son la respuesta a las olas de calor

Artículo cortesía de RMI.
Por Tan Lacey Y Mohammad Hassan Fathollahzadeh

Mientras una ola de calor sin precedentes quemó el noroeste del Pacífico a principios de este verano y de nuevo esta semana, matando a cientos de personas en los Estados Unidos y Canadá, muchos residentes se dieron cuenta de los veranos previsiblemente suaves que sabían que ya no existían. Los científicos lo tienen claro que el cambio climático hará que estos eventos de calor extremo sean más comunes en los próximos años, lo que incitará a las personas en áreas como Seattle, Portland y el norte de California a agregar aire acondicionado (AC) a sus hogares.

En Seattle, donde el 46 por ciento de las viviendas unifamiliares no tienen aire acondicionado, las temperaturas alcanzaron los 108 ° F el 28 de junio, creando condiciones peligrosas dentro de las casas. Entonces, ¿cómo podemos mantener a las personas seguras y cómodas durante las peligrosas olas de calor y gestionar la creciente necesidad de aire acondicionado de una manera respetuosa con el clima y equitativa? Las bombas de calor son una solución atractiva tanto para los legisladores como para los residentes, ya que pueden mantener un hogar fresco y cómodo de manera eficiente en el verano y al mismo tiempo calentar el hogar sin combustibles fósiles en el invierno.

RMI modeló el rendimiento de varias opciones de enfriamiento para una casa de Seattle durante la ola de calor de tres días en junio de 2021: una bomba de calor de fuente de aire (en adelante bomba de calor), una unidad de aire acondicionado típica y una unidad de aire acondicionado de mayor capacidad. Descubrimos que la bomba de calor no solo era capaz de mantener una temperatura del aire interior cómoda y segura durante el calor extremo, sino que también cuesta $ 228 menos por año para operar que un sistema de enfriamiento y calefacción de combustible dual (unidad de aire acondicionado + horno de gas). Además, CO₂ las emisiones se reducen en alrededor de un 25 por ciento para toda la casa cuando funciona con la bomba de calor en comparación con el aire acondicionado y el horno de alta capacidad.

Las bombas de calor lo mantienen fresco y cómodo

Nuestros resultados muestran claramente que la bomba de calor es superior para mantener una temperatura del aire interior cómoda y constante y consume menos electricidad que la unidad de aire acondicionado de 4 toneladas de alta capacidad. Primero analizamos una pequeña unidad de aire acondicionado de 2 toneladas, típica del clima históricamente templado de Seattle, pero no logró mantener un ambiente interior seguro (punto de ajuste de enfriamiento de 75 ° F) durante el evento de calor extremo. Esto implica que se necesita una unidad de aire acondicionado de alta capacidad para alcanzar la temperatura de referencia predefinida.

Pero incluso aunque esta unidad de aire acondicionado de alta capacidad genera una temperatura del aire interior más agradable en comparación con la unidad de aire acondicionado típica, todavía tiene dificultades para alcanzar la temperatura de referencia en el día más caluroso (es decir, el 28 de junio), como se muestra en la figura de temperatura a continuación. Esto contrasta con la bomba de calor, que pudo mantener una temperatura segura incluso en condiciones de calor extremo. La unidad de aire acondicionado de alta capacidad también consume más electricidad que la bomba de calor, lo que agrega tensión adicional a la red.

Escenarios y hallazgos adicionales

Utilizando la herramienta BEopt del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, modelamos los siguientes escenarios utilizando una casa unifamiliar existente típica en Seattle sin aire acondicionado, un horno de gas estándar y características de envolvente relativamente eficientes como línea de base. Las características del edificio de la casa se basan en el modelo prototipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y en los datos de la Encuesta de Consumo de Energía Residencial 2015. Este modelo energético de construcción basado en la física utiliza datos meteorológicos reales del año meteorológico de la ola de calor de junio de 2021. Nuestro objetivo era ver qué sistema podía alcanzar una temperatura de referencia de 75 ° F y examinar los impactos en las facturas de servicios públicos de la casa.

Escenarios:

• Sin aire acondicionado: Usamos una casa con un horno de gas con una eficiencia de utilización de combustible anual del 78 por ciento para calefacción y sin aire acondicionado. Exploramos el aumento de la temperatura del aire interior en relación con la temperatura del aire exterior. En este escenario, la temperatura del aire interior tiene un retraso en comparación con la temperatura del aire exterior, pero sigue una curva similar y es muy incómoda e insegura para los ocupantes. La temperatura del aire interior alcanzó un pico de 100,4 ° F el 28 de junio.^th.

• AC típico: Este escenario representa una unidad de aire acondicionado de capacidad típica que esperaríamos para una casa de Seattle con las características expuestas anteriormente. Históricamente, el aire acondicionado no era una necesidad en el clima de Seattle; sin embargo, ahora es una necesidad hacer frente a las recientes olas de calor y al aumento de las temperaturas. Agregamos una unidad de aire acondicionado típica de 2 toneladas con un compresor de 2 etapas y un índice de eficiencia energética estacional (SEER) de 18, manteniendo todos los demás supuestos iguales en el modelo. La unidad de aire acondicionado típica reduce la temperatura del aire interior a niveles que están más cerca de la temperatura del punto de ajuste de enfriamiento de 75 ° F; sin embargo, no es capaz de alcanzar la temperatura de referencia. Por lo tanto, este escenario es solo marginalmente seguro e incómodo para los ocupantes.

• CA de alta capacidad: Reemplazamos la unidad de aire acondicionado típica con una unidad de aire acondicionado SEER 18 de 4 toneladas de alta capacidad con un compresor de 2 etapas, manteniendo todos los demás supuestos iguales. Este escenario genera una temperatura del aire interior más agradable en comparación con la unidad de aire acondicionado típica, pero todavía tiene dificultades para alcanzar la temperatura de referencia en el día más caluroso (28 de junio) y consume una gran cantidad de electricidad en comparación con la unidad de aire acondicionado típica.

• Bomba de calor: En este escenario, analizamos una bomba de calor SEER 22 de velocidad variable sin el horno de gas. La bomba de calor generó la temperatura del aire interior más agradable y fue capaz de cumplir constantemente con la temperatura de referencia y utiliza 18,6 por ciento, 15,5 por ciento y 3,7 por ciento menos de energía que la unidad de aire acondicionado de alta capacidad del 26 al 28 de junio, respectivamente. También funcionó mejor en comparación con la unidad de aire acondicionado y el horno de alta capacidad en términos de consumo de energía, emisiones de carbono y costos operativos cuando se usa tanto para calefacción como para refrigeración.

Hallazgos adicionales:

• Una bomba de calor proporciona refrigeración y calefacción, por lo que exploramos su capacidad para calentar la casa durante los meses de invierno y la comparamos con un horno de gas estándar. La bomba de calor fue más eficiente en términos de consumo de energía, emisiones de carbono y costos operativos para calentar la casa en comparación con el horno de gas. Al quitar el horno e instalar una bomba de calor, las emisiones de carbono de toda la casa se reducen en más de 10,000 lb de CO₂
• Las bombas de calor son una solución eficaz y respetuosa con el clima para abordar las crecientes necesidades de refrigeración en regiones como el noroeste del Pacífico. La instalación de una bomba de calor que utiliza menos energía para calefacción y refrigeración que una unidad de aire acondicionado de alta capacidad es una inversión a largo plazo que puede reducir las facturas de servicios públicos, pero tiene un costo inicial más alto que puede ser una barrera para la adopción del mercado.
• El aire acondicionado debe ser sobredimensionado para proporcionar temperaturas de aire interiores aceptables en caso de olas de calor extremas. Sin embargo, en climas templados con una alta necesidad de calefacción en comparación con la refrigeración, una bomba de calor tiene el tamaño adecuado para soportar las condiciones de la ola de calor.
• Aunque no se analizan en este blog, los estudios han demostrado que los servicios de climatización brindan mejoras que reducen el consumo de energía y aumentan la eficiencia energética general y son un buen punto de partida para las malas condiciones de vivienda. La combinación de la climatización debido a las ganancias de eficiencia podría llevar a reducir el tamaño de los equipos, lo que resultaría en mayores ahorros. También brindan beneficios no energéticos, como la salud y la seguridad, que son muy necesarios para los hogares de ingresos bajos y medios.

Un punto de inflexión clave

Si bien cada vez más personas en los Estados Unidos y en todo el mundo buscan agregar refrigeración a sus hogares, es importante asegurarse de que los equipos de refrigeración tengan un impacto climático mínimo. En regiones cálidas con acceso creciente a CA (por ejemplo, India), tecnologías avanzadas como las demostradas a través de Premio Global de Refrigeración será crítico. En regiones históricamente templadas que se enfrentan a nuevas olas de calor, como el noroeste del Pacífico de EE. UU., Existe una oportunidad urgente de proporcionar calefacción limpia simultáneamente con refrigeración eficiente.

Los eventos de calor extremo de este verano presentan una clara oportunidad y un punto de intervención para que los responsables políticos apoyen el despliegue de bombas de calor hoy, especialmente en climas más templados a fríos. La economía y el uso de energía entre los dos sistemas justifican el incentivo de las bombas de calor no solo para satisfacer la mayor demanda de aire acondicionado, sino como una estrategia para reducir las emisiones de carbono y cumplir los objetivos de acción climática. Una vez que un propietario instala su primera unidad de aire acondicionado central, es una oportunidad perdida de sacar de la casa los combustibles fósiles contaminantes o la calefacción de resistencia eléctrica ineficiente durante al menos 15 años.

Para facilitar esta transición a los hogares, los legisladores y las empresas de servicios públicos pueden impulsar la adopción de bombas de calor modernas con nuevos programas e incentivos que las hagan asequibles para más hogares y reduzcan la barrera de costos iniciales. A pieza reciente de legislación federal presentado por el senador Martin Heinrich ayudaría a los consumidores a hacer la transición a hogares totalmente eléctricos al proporcionar hasta $ 10,000 en reembolsos, o $ 14,000 en el caso de hogares de ingresos bajos y moderados. Este proyecto de ley tiene un enfoque particular en el calentador de espacio, calentador de agua y sistema eléctrico.

Las medidas de eficiencia son una contraparte clave de la electrificación y también deben priorizarse, junto con las exclusiones para garantizar que los hogares de ingresos bajos y medianos puedan ser los primeros en adoptar tecnologías limpias y eficientes.

Cumplir con nuestros objetivos climáticos esenciales requiere eliminar las emisiones de todos los sectores, incluidos los edificios. Eso significa que los legisladores de todo el país deben priorizar la transición a aparatos eléctricos eficientes y modernos como las bombas de calor. Dado que el cambio climático genera condiciones climáticas cada vez más extremas y peligrosas, estos dispositivos también pueden desempeñar otro papel esencial: mantener a las personas cómodas y seguras en sus hogares, incluso en las peores condiciones.

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